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皮肤是人体最大的器官,负责庞大的信息交换。它能够收集外界刺激,并把这些刺激转换成压力、疼痛和温度等人体可感知的信号,具有柔软、舒适、可自愈、可新陈代谢等特点。创造出具有类似人类感官能力的人造皮肤一直为人类所向往和追求。

“人造电子皮肤是电子工业发展的新趋势,可以激发我们的思考,让我们有更多的想象空间创造出新的材料和新的技术。”5月19日,出席第二届江苏发展大会暨首届全球苏商大会的嘉宾,世界杰出女科学家、美国工程院院士、斯坦福大学化工系主任鲍哲南教授在南京大学校庆学术报告会上表示,电子皮肤将会引领下一代电子工业的发展方向。

从材料到工艺,柔性电子不断取得新突破

1985年,通用电气公司利用离散型红外传感器制造了第一个机器人手臂的敏感皮肤,开启了电子皮肤的发展历史。2000年,贝尔实验室成功制造出当时世界上第一个用有机晶体管材料做成的柔性电子纸。

由于具有较好的柔韧性和生物相容性等特性,有机电子材料与器件是构筑电子皮肤的理想载体之一。而鲍哲南教授团队一直从事有机电子材料设计与器件方面的研究,成为最早开展柔性电子领域研究的科研团队之一。团队从研究学习分子设计、传感、信号处理和传输等最基本理念入手,2011年成功研制出基于碳纳米管/橡胶复合薄膜的新型电子皮肤。该电子皮肤不仅具有高灵敏的压力感知能力,还展示出优异的可拉伸性和透明性。

在此后的研究中,科学家们希望赋予电子皮肤更多人体皮肤所具有的特性。针对人体皮肤的压力敏感性和机械自我修复性两大特性,2012年,鲍哲南教授团队又研制出压敏电子皮肤,在环境条件下显示出机械和电学自愈合特性,在室温下具有重复自修复能力。2015
年,世界上第一个可与动物大脑沟通的可弯曲型电子皮肤诞生了。

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2018年2月,鲍哲南团队在《自然》杂志上宣布:柔性电子领域实现制造工艺的新突破——易量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列首次成功开发。“为了实现新模式的电子器件和最终电子产品,我们先从发展新电子材料开始,然后再做工艺。”这项技术突破意味着,用皮肤一样性能的电子材料来做电子器件成为可能。“以前做的柔性电子很难做成集成电路,而集成电路对电子器件来说至关重要,因为显示屏幕、传感和计算都需要集成电路。而在柔性电子皮肤领域,第一次做到了简单的集成电路。”

电子皮肤搭起多领域应用的桥梁

如今电子皮肤正超越皮肤本身的属性。从技术趋势来看,电子皮肤为假肢制造、机器人设计、可穿戴设备等多个领域搭起了桥梁。

一直以来,人类都在努力将自身具备的全部感官“复制”到机器人身上,但迄今为止,机器仍然缺乏一些极其关键的能力,其中就包括人类精密而完善的触觉。目前,即使是世界上最逼真、最仿生的义肢,也难以实现触觉的突破。而具有触感能力的电子皮肤,却完全能使假肢理解触摸、弯曲或按压等动作,帮助配有假肢的人恢复感觉。具备良好压敏特性和柔韧性的电子皮肤也可以解决机器人设计的难题,它既能帮助机器人敏感获知环境信息,又赋予了其机械灵活性。

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鲍哲南团队近日研发的具有触觉传感器的手套,机械手臂在带上手套后能够具备和人类皮肤类似的触觉。“用这样的机器人摘树莓,它的手会把握适当的力道而不将其压破。”鲍教授说,机器人的触觉已经往更近似人类的方向“进化”。不仅如此,这样的传感器也可种植到动物体内来测动脉血流量,“利用传感器的力学信号,可以预测血管会不会被堵塞,以预防脑溢血、中风等血管疾病。”

神奇的是,这样的传感器如今已不仅仅可以感知传统意义上的力学信号。“近几年,传感器又增加了对电学信号和化学信号的感知,从大脑、肌肉传出来的细微电信号和化学信号均可被测量,这意味着电子皮肤具备了更多功能。”鲍教授透露,目前正进行新材料的理论和实验研究,将来手机屏幕、医疗仪器就像皮肤一样可以贴在身上。

永利,作为一种可嵌入或覆盖人体的高精尖设备,未来慢性病患者将不再需要佩戴大型电子监视设备以跟踪血压、血糖、心率生物等指标,电子皮肤就是人体健康最好的指示标。这个技术将来也可以应用在建筑物表面或者是飞机表面等各种不同的体系里。

“如今,柔性触摸屏已经实现产业化,并成功应用在了世界首批可弯曲智能手表和可折叠智能手机中。”鲍哲南介绍,不仅如此,可拉伸性材料因为较良好的硬度和自修复性功能,可以用到锂电池里,以提高锂电池的容量和持续充放电时间。

发展人造电子皮肤仍面临诸多挑战

从“灵敏压感电子皮肤”“可拉伸电子皮肤”“自修复电子皮肤”“会变色的电子皮肤”到最近的“可触动脑神经的电子皮肤”,鲍哲南教授团队的一系列研究成果成为引发柔性电子皮肤研究浪潮的重要因素,
并且迅速、直接地推动了人造电子皮肤的发展进程。

如今,在美国斯坦福大学、美国西北大学、日本东京大学、中国科学院化学研究所、新加坡南洋理工大学等全世界众多科研机构的共同努力下,
人造电子皮肤领域的研究取得了迅猛发展,电子皮肤的功能已经越来越近似人类皮肤。

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虽然鲍哲南教授团队在电子皮肤方面取得了重大成果,但是电子皮肤仍然在集成性、兼容性和更高灵敏性等方面存在诸多挑战。“从基础学科的角度来说,我们需要从材料、工艺等方面去研究新型电子材料电学性能与力学的关系,以及怎样设计材料的分子结构可以达到更好的电学、力学性能;从工艺的角度来说,还需要进一步实现更复杂、更大型的集成电路方式;从应用的角度来说,还需要找到应用的路线图。路线图必须先从简单的应用出发,先用一些已经成熟的材料和器件做一些新的应用,或者用新发明的材料和器件实现已有的应用,然后慢慢再延伸到越来越复杂的系统性的应用。”要做到这些,需要学术界和产业界的通力合作,通过不断设计尝试,逐步提升理论基础并优化技术工艺,最终实现这个应用目标。

正如早期的柔性电子一样,鲍哲南认为,现在的电子皮肤有了更多的可能性且将会面临巨大的需求市场。“这是一个可以超越智能手机的世界。最重要的是,电子皮肤它会变成我们身体的一部分,帮助我们做以前做不到的事情,让我们和周围的世界有更好的信息交流。”

随着科学家们对电子皮肤不断深入的研究,
相信在不久的将来,在科幻电影才会出现的与人类触觉相当的智能机器人,会在现实中与我们相遇。

交汇点记者 王甜 张宣 沈峥嵘

admin 新闻中心

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