讓人更加人性化,讓機器有觸覺!4 位電子皮膚大牛最新成果盤點
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如今可能人人都聽過「黑科技」這個詞。
百度百科介紹,「黑科技」一詞源于日本編劇賀東招二的輕小說《全金屬狂潮》,原指非人類自力研發(fā)、凌駕于人類現(xiàn)有科技之上的知識。
在我們的日常語境中,「黑科技」則代表著當(dāng)前人類無法實現(xiàn)或根本不可能產(chǎn)生的技術(shù)、產(chǎn)品,或是現(xiàn)實中那些“不明覺厲”的新硬件、新軟件、新技術(shù)、新工藝、新材料等。
在知乎上有這樣一個問題:你所知道的最“黑”的黑科技是什么?
有人認(rèn)為是能在火星移民時派上用場的“人造光合作用”技術(shù);有人覺得應(yīng)該給受鼻涕蟲啟發(fā)的新型器官強效止血材料投上一票;也有人按字面意思答題,認(rèn)為一種能吸收 99.96% 光線的新材料可以說是“黑”到失蹤了;也有人提到,一種仿動物皮膚的柔韌、可拉伸、可自愈電子產(chǎn)品——「電子皮膚」應(yīng)該擁有姓名。
「電子皮膚」,具體能做什么?
雷鋒網(wǎng)注意到,電子皮膚有這樣兩類意義。
第一,在人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面,它可以協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動作,幫助配有假肢的群體恢復(fù)對外界的真實感知。
這一點正如人造皮膚領(lǐng)域“材料大師”、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南投身電子皮膚領(lǐng)域時的初心:
Make human more human.(讓人類更加人性化。)
第二,電子皮膚能應(yīng)用于機器人,提升機器人的柔韌性和延展性,甚至讓機器人像人類一樣在面對疼痛時做出反應(yīng)。
【中科院半導(dǎo)體所開發(fā)的超薄柔性電子皮膚陣列】
那么,這項黑科技曾經(jīng)歷過何種蛻變?當(dāng)前發(fā)展程度如何?
就在最近,知名學(xué)術(shù)期刊 Nature“科技特寫”(Technology Feature)專欄中,一篇題為 Electronic skin: from flexibility to a sense of touch(電子皮膚:從柔韌性到觸覺)的文章復(fù)盤了電子皮膚的最新發(fā)展及蛻變史。
本文對這一盤點進(jìn)行了整理,或許通過下面的文字,我們對電子皮膚這種黑科技的認(rèn)知將變得更為立體。
東京大學(xué) Takao Someya 團(tuán)隊:電子皮膚的初實踐
其實,電子皮膚的研究最早源于電子閱讀器和曲面電視中的組件,而研究這些組件的,則是致力于研究柔性碳基分子或聚合物導(dǎo)電的科學(xué)團(tuán)隊。
概括來講,有機電子學(xué)領(lǐng)域研究人員旨在研究用于顯示和照明的有機發(fā)光二極管、用于顯示底板和大面積電子器件的晶體管、以及用于太陽能收集的光伏電池。在某種程度上,以上設(shè)備都將受益于其形式的靈活性。
如何實現(xiàn)所謂“形式的靈活性”,研究人員將目光放在了我們今天常說的可穿戴電子產(chǎn)品上。
研究人員最早在 2004 年做出了成功實踐。
當(dāng)時,日本東京大學(xué)工程學(xué)院電氣與電子工程系教授 Takao Someya 及其團(tuán)隊發(fā)表了一項研究成果。
論文顯示,該團(tuán)隊開發(fā)出一種 8 厘米× 8 厘米的柔性機器人皮膚貼片,由多層高性能、壓力感應(yīng)的聚酰亞胺塑料、有機半導(dǎo)體并五苯(pentacene)和幾層金、銅電極組成,內(nèi)置一個 32 × 32 的微型壓力傳感器陣列。這種電子皮膚即使被包裹在一個 4 毫米厚的圓柱形棒上,也能保證電流不間斷,就像一個柔韌的電路板。
Takao Someya 表示:
我們采用了一種主動矩陣,做出了為柔性顯示器開發(fā)的驅(qū)動電路,它賦予了機器人一種從未有過的東西:觸覺,即對壓力做出反應(yīng)的能力。
次年,Takao Someya 團(tuán)隊通過將相對堅硬的聚酰亞胺聚合物紡成線,然后再紡成網(wǎng),使得電子皮膚擁有了彈性和舒適度。
美國西北大學(xué) John Rogers 團(tuán)隊:將電子皮膚用于抗疫
說起抗擊新冠疫情,你可能很難想到,材料科學(xué)家也沖在了最前線。
1995 年,美國材料科學(xué)家、物理化學(xué)家 John A. Rogers 獲得了 MIT 物理化學(xué)博士學(xué)位,1997 年加入貝爾實驗室凝聚態(tài)物理研究部門,隨后進(jìn)入美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校成為工程學(xué)系創(chuàng)始人。
如今,作為美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科教授,John A. Rogers 領(lǐng)導(dǎo)著一個關(guān)注開發(fā)柔軟、有彈性、類皮膚材料的研究團(tuán)隊。
2019 年 11 月,John A. Rogers 團(tuán)隊發(fā)表研究成果,展示了一種可藍(lán)牙連接的聚合物電路設(shè)備。將這種設(shè)備放在喉嚨底部凹陷處,就可以實現(xiàn)對說話、心率等生命體征的實時監(jiān)控,或是對患有中風(fēng)的人群提供言語治療。
在 2020 年新冠疫情肆虐期間,這種電子皮膚經(jīng)定制設(shè)計后,被應(yīng)用于美國芝加哥市的病毒早篩、病情監(jiān)測等工作。
實際上,John A. Rogers 是世界上最多產(chǎn)的可穿戴皮膚電子研究者之一。西北大學(xué)官網(wǎng)顯示,他曾發(fā)表過 750 余篇論文,發(fā)明 100 多項專利。
John A. Rogers 團(tuán)隊的電子皮膚已在全球各地得到了應(yīng)用,例如監(jiān)測早產(chǎn)兒的生命體征和運動員的水合作用;使得機器人獲得更加細(xì)微、類似人類的觸感。
劍橋大學(xué) George Malliaras 團(tuán)隊:實現(xiàn)電子皮膚毫無佩戴感
可穿戴設(shè)備存在兩種挑戰(zhàn),一是工程師如何解決化學(xué)問題,二是化學(xué)家如何解決工程問題。
這一觀點來自于英國劍橋大學(xué)生物電子學(xué)教授 George Malliaras。在他看來,電極和人之間保持接觸并不容易,因為皮膚會隨著人的移動受到拉伸、褶皺和彎曲。要固定電極,其實可以用到凝膠,但由于凝膠是水溶液,隨著時間的推移會變干,因此其穩(wěn)定性存在問題。
為此,George Malliaras 團(tuán)隊想到了另一種可能的溶液——離子液體。
原因就在于,離子液體由室溫下呈液態(tài)的鹽組成,蒸發(fā)速度慢,且導(dǎo)電性能好。
2014 年,George Malliaras 團(tuán)隊將一種名為 1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸酯的離子液體與一種聚合物結(jié)合,創(chuàng)造了一種能夠容納金電極和導(dǎo)電聚合物的凝膠。這一裝置的電性能可維持 3 天。
值得一提的是,東京大學(xué) Takao Someya 團(tuán)隊指出,George Malliaras 團(tuán)隊設(shè)計的這類設(shè)備會擋住汗液,阻礙空氣交換,佩戴時讓人感到不適;同時也很脆弱,不能長期使用。
為此,2017年,Takao Someya 團(tuán)隊又提出了一種多孔傳感器的想法,這種傳感器使用的是厚度僅 300 - 500 納米的金纖維網(wǎng),包括一個類似意大利面形狀的聚乙烯醇(PVA)網(wǎng)狀物及金電路圖案。這種電子皮膚柔韌、透氣,使用者甚至毫無佩戴感。
斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊:讓傳感器在體內(nèi)工作
幾個月前的騰訊科學(xué) WE 大會上,人造皮膚領(lǐng)域的“材料大師”、著名化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南在演講中談到了實現(xiàn)人造皮膚的三大挑戰(zhàn)及對應(yīng)的重大突破:
第一,所用的電子材料必須做成像皮膚一樣柔軟,像皮膚一樣可拉伸,甚至可自修復(fù)、可生物降解。
第二,人造皮膚需要真正感知到壓力、溫度,可以細(xì)膩地感受到不同的物體。
第三,人造皮膚的信號需要能夠和人體結(jié)合起來。
實際上,在電子皮膚領(lǐng)域,鮑哲南教授名氣不小。
不同于上述幾位大牛的研究思路,其團(tuán)隊并沒有創(chuàng)造傳感器,然后做到使傳感器與皮膚兼容——他們采用了分子方法,從一開始就考慮到電子皮膚的靈活性,設(shè)計有機聚合物和電子元件。
正如鮑哲南所言:
我們從分子水平設(shè)計它們,使得類似皮膚的特性成為新材料的固有特性。
比如,該團(tuán)隊曾開發(fā)了一種可以感知汗液中激素變化(特別是皮質(zhì)醇水平變化,皮質(zhì)醇是衡量壓力大小的重要指標(biāo),可用來幫助理解焦慮和抑郁)的原型。同時,這一原型也可用來制造植入人體的有機電子設(shè)備,以幫助修復(fù)受損神經(jīng)。
具體來講,鮑哲南團(tuán)隊曾用一系列具有不同導(dǎo)電性能和生物降解性的聚合物來制造電子皮膚。
早在 2010 年,他們就用彈性聚合物 PDMS 開發(fā)了一種檢測壓力微小變化的皮膚,用以模擬觸覺。該團(tuán)隊將這一技術(shù)應(yīng)用到一種特殊的手套中,戴上手套后,輕輕按壓覆盆子也不會將其壓碎。
此后,鮑哲南進(jìn)一步發(fā)展了這一技術(shù):讓傳感器在體內(nèi)工作。
2019 年,鮑哲南團(tuán)隊介紹了一種可降解的無線傳感器,這種傳感器可以包裹在血管上,在手術(shù)后持續(xù)監(jiān)測血流。為了讀出信號(血液脈沖穿過動脈時電容的變化),團(tuán)隊在皮膚附近安裝了一個外部線圈,將無線電信號發(fā)送到遠(yuǎn)程接收器。
此后其目標(biāo)則是讓這些傳感器覆蓋身體的更多部位,同時保持細(xì)胞分辨率。
寫在最后
自然,上述研究成果可能代表了電子皮膚領(lǐng)域的最前沿成就,但全球科學(xué)家們在這一領(lǐng)域的努力絕不僅限于此。
監(jiān)測囊性纖維化患者的汗液生物標(biāo)記物、檢查皮膚疾病患者的皮膚水合情況、評估黑色素瘤患者的紫外線暴露情況、跟蹤皮膚和假肢之間壓力和溫度的情況等等,都是電子皮膚已經(jīng)實現(xiàn)的突破。
值得注意的是,即便電子皮膚近年來發(fā)展迅速,但擺在科學(xué)家們眼前的仍是重大的化學(xué)和工程挑戰(zhàn),期待下一個突破性成果。