我們已經有了自己的皮膚，還需要“電子皮膚”嗎？

在科幻電影《阿麗塔·戰鬥天使》中，人工智能機器人阿麗塔雖然身材纖細瘦小，卻能夠大殺四方，有著無比強大的戰鬥力。這要歸因於她一身的“黑科技”，其中就包含比人類還靈敏的觸覺，

這就是傳說中的“電子皮膚”的未來應用場景之一。電子皮膚可不僅僅是科幻中的想象，而是正在變成現實。

談電子皮膚，要先從“柔性電子”說起

你能想象嗎？塊狀、僵硬的電子器件可以變得像紙或手機膜一樣輕薄柔軟，還能像橡皮一般有彈性，類似的這種電子器件被稱為“柔性電子”。

在“柔性電子”的應用方面，“電子皮膚”是最不可忽視的。所謂“電子皮膚”，即為藉助柔性電子技術製造像人體皮膚的電子器件。該電子器件需要像人的皮膚一樣柔軟，同時更需要擁有和皮膚一般的觸覺感知能力。甚而，它還具備強於皮膚的方面，比如，幫助人類獲取環境和人體中的物理化學信號，提升人類與環境或自身的交互能力。那麼，電子皮膚如何實現這些功能呢？

電子皮膚如何擁有觸覺？

皮膚作為人體最大的器官，是觸覺的載體，為我們提供環境中的物理信息。而這些物理信息又包含著哪些關鍵因素呢？大家現在不妨將手伸向身旁的任意一個物體，握住它，撫摸它，很快你就能感覺到物體的

硬度、形狀、材質和溫度。如果能通過柔性電子技術實現對以上的物體性質的感知，我們就有可能建立起一套“機械化”的觸覺感知系統，由此，我們還能進一步讓機器人產生觸覺或幫助觸覺失靈的人重獲觸覺。

通過柔性電子技術實現觸覺

我們能感受到物體的硬度，是因為我們的皮膚中分散著許多的壓力感受器，這些感受器可以根據皮膚與物體接觸時感受到的力的大小來分辨物體的軟硬程度。

所以，通過壓力傳感器，電子皮膚也可以感知物體軟硬程度。有多種方式可以達到壓力傳感的效果，其中最簡單和最常用的一種是壓阻式壓力傳感器，利用導電材料在形變時產生的電阻變化來實現傳感。斯坦福大學的研究人員製備了柔軟的、導電的高分子材料，並採用先進的加工技術在材料表面形成微米級的錐形陣列，然後將它與另一層柔軟的導電材料接觸，當上層材料受到壓力時，錐形的尖端就會壓縮。兩層材料接觸面積越大，流過的電流越大。【1】

這樣就實現了柔性壓力傳感。

藉助柔性壓力傳感器，還可以實現對物體形狀的感知。我們的皮膚各處分散著壓力感受器，但只有接觸到物體的感受器才會給我們大腦發送信號。麻省理工學院的科研人員設計出了一種低成本的可伸縮觸覺手套，上面分佈著548個壓阻型壓力傳感器，每個傳感器可感知到的壓力數值都能被詳細記錄下來。他們利用這個手套抓握了杯子、勺子、筆、石頭等物體，記錄手套抓握的數據，並錄製視頻。然後利用這些數據訓練深度學習網絡，從而鑑定出不同的物體。【2】

上、中：觸覺手套及其結構；下：觸覺手套抓握石頭。(圖片來源：參考資料2）

除了硬度和形狀，當手指在材料表面遊走時，觸覺系統還會告訴我們，玻璃是光滑的，砂紙是粗糙的。

那麼，皮膚如何分辨材料表面的粗糙程度？

皮膚上的觸覺感受器分為慢適應感受器（SA Receptor）和快適應感受器（FA Receptor）。慢適應感受器對靜態壓力敏感，主要負責感知皮膚表面高分辨率的靜態壓力分佈和皮膚的拉伸狀況。之前介紹的柔性壓力傳感器就是用於模仿這類感受器。快適應感受器則可以感知高頻率的動態壓力或震動，對皮膚表面快速壓力刺激能做到及時響應。我們的指紋有著精細的結構，它的寬度在微米量級。當皮膚滑過材料表面，指紋與材料表面微米甚至毫米級別的突起互相作用，從而使皮膚產生高頻振動，被快適應感受器感知，隨後向大腦反饋振動頻率，於是，我們就能感知材料表面的粗糙度。對材料表面粗糙度的感知再加上對材料硬度的感知，我們就能識別物體的材質。

來自韓國的團隊仿造皮膚的這一結構，製造出了一種觸覺傳感器。他們用柔性壓力傳感器模仿慢適應傳感器來感知壓力大小和分佈，用摩擦納米發電機技術來模仿快適應感受器，配合觸覺傳感器表面的仿指紋結構。隨後，他們藉助深度學習技術，將觸覺傳感器在12種紡織品表面來回掃描，獲得的數據用來訓練神經網絡。最終，觸覺傳感器能夠分辨這些織物的材質，準確率高達99.1%。【3】

通過柔性電子技術構建對硬度、壓力、形狀和材質的感知，再與柔性拉伸傳感器、溫度傳感器等集成，我們基本就能構建擁有觸覺的電子皮膚。

賦予機器人更靈敏的觸覺

電子皮膚最直接的應用就是智能機器人。機器人擁有觸覺後，就能更充分、精準地讀取環境中的壓力信號，從而行動也會更為精準、多樣、有效。比如，現在的機器人缺乏對物體精確的力量反饋，不能對小尺寸、柔軟的物體實行精準的抓握和操縱。而電子皮膚則可提供精細的力學反饋，幫助未來的機器人完成準確的抓握和操縱任務（如精準手術）。

在電影中，阿麗塔找回了為她量身定做的“狂戰士軀體”，她的身軀表面有了更高密度的壓力傳感器和材質傳感器，使她的觸覺更靈敏，擁有了更強大的戰鬥力。

有了更靈敏的觸覺後，機器人也能擁有人類獨特的體驗哦，比如……

親吻。

失去觸覺感知的人還有可能恢復觸覺嗎？

如果能把電子皮膚應用在失去觸覺的人（如高位截癱或皮膚大面積燒傷的患者）身上，他們就可以重獲觸覺，繼續享受美好生活。

不過，儘管我們可以在傳感器層面上實現對物體的感知，但將傳感器信號有效地轉換為大腦能夠理解的神經電信號仍舊十分困難

。幸運的是，目前有一種方法有望攻克這一技術難題，那就是：仿生！

Just for kidding… (圖片來源：網絡 + 作者修改）

神經系統是如何處理觸覺信息的？皮膚內的多種觸覺感受器將捕捉到的觸覺信息通過多層中間神經元傳輸到脊椎，神經纖維內的多種傳入神經和突觸會將感受器的傳入信號進行編碼和分離。最後脊椎將編碼和分離後的信號傳輸到大腦。

簡單地說，如果我們想讓人工觸覺傳感器的信號能順利被大腦接受和理解，我們就得模仿神經系統對傳入信號的編碼方式。

針對這個問題，科學家們發明了人造傳入神經。這種人造傳入神經有三個核心成分：壓阻型壓力傳感器、有機環形震盪器和突觸晶體管。壓力傳感器負責獲取壓力信息。環形振盪器代替神經纖維，將壓力信號轉化為與感覺神經元動作電位的頻率相匹配的電壓脈衝。突觸晶體管將這些脈衝信號整合並轉化為突觸後電流，並與生物體內的傳出神經對接，形成一個完整的單突觸反射弧。

隨後，他們將人造傳入神經與蟑螂腿上的傳出神經對接，對壓力傳感器施加一定壓力。壓力信號轉換成突觸後電流，電流經過放大後傳輸到蟑螂腿上的傳出神經，成功地驅動了蟑螂腿的運動。【5】

上述成果還沒能達到我們的最終目的：在大腦中形成觸覺體驗。當然，如果採用腦機接口技術，用編碼後的信號對大腦特定區域和細胞進行刺激，就能夠實現觸覺體驗。然而，因為目前對知覺的神經編碼的理解十分有限，再加上腦機接口技術的發展需要進一步突破，我們目前離攻克這一技術難題還有一定距離。【7】

我們已經有了自己的皮膚，還有必要再造皮膚嗎？

電子皮膚研究的先驅之一，斯坦福大學的鮑哲南教授說過這樣一句話：“我們需要找到一條路徑，讓人造皮膚可以提高我們現在的功能，否則為什麼要把一個人造皮膚放在我的身上。”【8】

除了建立觸覺系統，我們還可以利用柔性電子技術使各類傳感器擁有皮膚一般的性質，比如柔軟、可拉伸、自癒合等，然後將它們覆蓋在皮膚上或衣服上，隨時隨地感知環境和自身的信息。這類電子皮膚可看成如今的可穿戴設備的升級形態，它們能夠大幅提升信號獲取的效率，從而提升設備的傳感效率，還可以使得穿戴設備更為舒適。

鮑哲南教授領導的研究團隊研製了一套監測健康狀況的傳感器系統。這個系統分為兩個部分：一部分是可貼在皮膚上的傳感器貼片，用於收集人體的脈搏、呼吸、運動等諸多生理信號；另一部分是縫製在衣服中的柔性信號閱讀器，採用無需電池的非傳統射頻識別技術，讀取皮膚上傳感器貼片傳輸出來的生理信號，並通過藍牙將這些信號傳輸到手機app上。他們將這些傳感系統貼在志願者的手腕、肩膀、胸口等部位，構成“身體網”（BodyNet），在不影響他們正常活動的情況下監測脈搏、肢體運動、呼吸等信號，信息傳輸到app上，使得健康監測不再依賴醫院裡笨重複雜的監測系統。【9】

中國科學院深圳先進技術研究院魯藝研究員團隊合成了一種新型超柔軟導電聚合物，這種聚合物對微小的形變非常敏感。以該聚合物為材料製作柔性壓力傳感器，將傳感器放置在手腕上，不僅成功採集了橈動脈脈搏信號，還能清晰分辨每個脈搏波形的特徵峰。這些高精度的波形信號可進一步用於心血管疾病的診斷和監測。【10】

此外，人們還能借助其他物理化學原理來讓電子皮膚具備更多功能。比如，針對外界環境而言，電子皮膚可被用來感知陽光中紫外線強度、溼度、磁場、物體的接近等；針對人體自身而言，電子皮膚可無創地監測體液中血糖等生理指標信息，採集腦電、肌電和心電信息等。

這些電子皮膚同樣給人無限的遐想空間。藉助計算機、機器人技術的發展，未來的機器人可以擁有多維度的感知能力和更豐富的任務執行力。藉助腦機接口技術的突破，人類就能拓展自身的基本知覺，大家發揮自己的想象力，如果未來你有了這些“超能力”，你的生活會發生怎樣的變化呢？

結語

讓機器人變成有感情有知覺的阿麗塔，觸覺受損的人重新觸摸到世界，這些目前看來都頗具科幻氣息。相比之下，可穿戴多功能的電子皮膚會在不遠的未來進入到我們生活中。相信在這個多學科高度融合的時代，相關科技能快速取得更多的突破。就讓我們耐心等待“電子皮膚”時代的到來吧！