突破性进展！我国科学家开发出一种新型电子皮肤，可比拟人类皮肤
新型电子皮肤轻薄柔软，集成度高（图片来源：参考文献 1）新型电子皮肤电路概念图（图片来源：参考文献 1）版权图库图片，转载使用可能引发版权纠纷
想象一下，如果你能给机器人穿上一件“魔法外衣”，让它能像人类一样感受触摸、压力和摩擦，那会是什么样子？这已不再是科幻小说中的遐想，它已成为现实。
清华大学的科学家们最近在电子皮肤领域取得了突破性进展， 他们开发出了一种具有仿生三维架构的新型电子皮肤，为未来的机器人技术和医疗设备带来了革命性的可能。
仿生三维电子皮肤实物图。图片来源：清华大学
模仿自然的奇迹：电子皮肤的诞生
电子皮肤是一种模仿人类皮肤功能的高科技传感器系统。它就像是机器人或智能设备的第二层皮肤，能够感知外界的各种刺激。
长期以来，科学家们一直在努力让电子皮肤更接近人类皮肤的复杂功能。而清华大学航天航空学院、柔性电子技术实验室的张一慧教授及其团队，从人类皮肤的精妙结构中获得了灵感，实现了电子皮肤从平面到立体的飞跃。
我们的皮肤之所以如此神奇，是因为它不是一个简单的平面结构。想象一块三层的海绵蛋糕，它有蓬松的表面、松软的内部和稍微紧实的底部。我们的皮肤也是类似的三层结构：表皮、真皮和皮下组织。每一层都有不同的功能和特性。
清华大学的科学家们正是基于这种复杂的结构，设计出了一种全新的电子皮肤，它不仅模仿了人类皮肤的三层结构，还复制了皮肤内部感受器的三维分布。
皮肤的结构与仿生三维电子皮肤概念图（图片来源：参考文献 1）
仿生三维电子皮肤的秘密：
精妙结构与超凡感知
清华大学研发的这种新型电子皮肤，就像人类皮肤一样，也由表皮、真皮和皮下组织三层组成。
表皮层就像我们皮肤的最外层，柔软而敏感，能够快速感知轻微的触碰。真皮层位于中间，包含了大部分传感元件，负责精确识别压力和摩擦力。这一层中的传感器采用了独特的八臂笼状结构设计，使其能更好地捕捉外部刺激。皮下组织层则是最内层，主要感知皮肤的整体变形，就像我们感觉到皮肤被拉伸或压缩。
在这个精巧的三层结构中，科学家们巧妙地设计了传感器的分布，模仿了人类皮肤中默克尔细胞和鲁菲尼氏小体的空间分布。
力传感单元位于“笼子”的上部，更靠近皮肤表面，对外部压力极其敏感，就像我们皮肤中的默克尔细胞，能够精确感知轻微的触摸。
应变传感器则位于底部的拱形结构上，与力传感单元保持一定距离，这种设计使得应变传感器主要对皮肤的拉伸敏感，而不受压力干扰，类似于人类皮肤中的鲁菲尼氏小体。
这种独特的三维布局让电子皮肤能够同时感知并区分压力、剪切力和应变，就像我们的皮肤一样。 更令人惊叹的是，这种新型电子皮肤的感知精度可以达到 0.1 毫米，这意味着它几乎可以感知到一根头发丝放在上面的位置，这种精度已经非常接近人类皮肤的极限了。
智能解码与深度学习：
赋予电子皮肤“思考”能力
仅仅有精密的传感器是不够的，就像我们的大脑需要解读神经传来的信号一样，电子皮肤也需要一个“神经中枢”来理解这些数据。清华大学的科学家们使用了先进的深度学习算法， 让计算机能够快速处理和解读这些复杂的信号。这就好比是教会了电子皮肤如何“思考”和“理解”它所感受到的世界。
通过这种方法，电子皮肤不仅可以感知物体的存在，还能判断物体的硬度和形状。 想象一下，机器人仅仅通过触摸就能分辨出苹果是新鲜的还是已经变软了，这是多么神奇的能力！这种技术为未来的智能设备开辟了无限可能。
在医疗领域，新型电子皮肤可能会被用于制作超级灵敏的医疗手套，帮助医生进行早期诊断。它可能能够感知到普通人难以察觉的微小肿块或组织异常。张一慧教授提到，这种电子皮肤还可以像创可贴一样贴在人的皮肤上，实时监测血氧等健康数据，为我们提供一个随身携带的健康监测系统。
未来展望：从科幻到现实的跨越
清华大学科研团队的这项突破，不仅是中国科技实力的一次有力展现，更是人类探索自身奥秘、挑战自然极限的又一里程碑。 这种电子皮肤技术在多个领域都有广阔的应用前景。
在智能假肢领域，它可能让失去肢体的人重新获得触觉，感受爱人手的温度或孩子脸颊的柔软。在工业领域，装配线上的机器人可以更加小心翼翼地处理脆弱的零件，就像有着灵巧双手的工匠一样。
在人机交互方面，我们的智能设备可能变得更加智能和人性化，能够感知我们的情绪状态，或在虚拟现实中提供真实的触感体验。
尽管这项技术非常令人兴奋，但将其大规模应用于现实世界还面临一些挑战，如耐久性、成本、能源供应和数据处理等问题。然而，这些挑战并不能掩盖这项技术的巨大潜力。也许在不久的将来，当你和机器人握手时，对方的手是能够用温柔的触感回应你的“智能皮肤”。
参考文献
[1]Weichen WANG et. al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin
策划制作
出品丨科普中国
作者丨李金娟 早稻田大学
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来、林林
一文说清什么是电子皮肤
与传统的块状电子器件不同，“柔性电子”，指的是可以变得像纸或手机膜一样轻薄柔软，还能像橡皮一般有弹性，类似的这种电子器件。
在“柔性电子”的应用方面，“电子皮肤”是最不可忽视的。所谓“电子皮肤”，即为借助柔性电子技术制造像人体皮肤的电子器件。该电子器件需要像人的皮肤一样柔软，同时更需要拥有和皮肤一般的触觉感知能力。甚而，它还具备强于皮肤的方面，比如，帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号，提升人类与环境或自身的交互能力。
皮肤作为人体最大的器官，是触觉的载体，为我们提供环境中的物理信息。我们能感受到物体的硬度，是因为我们的皮肤中分散着许多的压力感受器，这些感受器可以根据皮肤与物体接触时感受到的力的大小来分辨物体的软硬程度。所以，通过压力传感器，电子皮肤也可以感知物体软硬程度。有多种方式可以达到压力传感的效果，其中最简单和最常用的一种是压阻式压力传感器，利用导电材料在形变时产生的电阻变化来实现传感。
借助柔性压力传感器，还可以实现对物体形状的感知。我们的皮肤各处分散着压力感受器，但只有接触到物体的感受器才会给我们大脑发送信号。麻省理工学院的科研人员设计出了一种低成本的可伸缩触觉手套，上面分布着548个压阻型压力传感器，每个传感器可感知到的压力数值都能被详细记录下来。他们利用这个手套抓握了杯子、勺子、笔、石头等物体，记录手套抓握的数据，并录制视频。然后利用这些数据训练深度学习网络，从而鉴定出不同的物体。
通过柔性电子技术构建对硬度、压力、形状和材质的感知，再与柔性拉伸传感器、温度传感器等集成，我们基本就能构建拥有触觉的电子皮肤。
电子皮肤最直接的应用就是智能机器人。机器人拥有触觉后，就能更充分、精准地读取环境中的压力信号，从而行动也会更为精准、多样、有效。比如，现在的机器人缺乏对物体精确的力量反馈，不能对小尺寸、柔软的物体实行精准的抓握和操纵。而电子皮肤则可提供精细的力学反馈，帮助未来的机器人完成准确的抓握和操纵任务。
不过，尽管我们可以在传感器层面上实现对物体的感知，但将传感器信号有效地转换为大脑能够理解的神经电信号仍旧十分困难。但通过仿生，我们仍有望解决这个问题。
皮肤内的多种触觉感受器将捕捉到的触觉信息通过多层中间神经元传输到脊椎，神经纤维内的多种传入神经和突触会将感受器的传入信号进行编码和分离。最后脊椎将编码和分离后的信号传输到大脑。针对这个问题，科学家们发明了人造传入神经。这种人造传入神经有三个核心成分：压阻型压力传感器、有机环形震荡器和突触晶体管。压力传感器负责获取压力信息。环形振荡器代替神经纤维，将压力信号转化为与感觉神经元动作电位的频率相匹配的电压脉冲。突触晶体管将这些脉冲信号整合并转化为突触后电流，并与生物体内的传出神经对接，形成一个完整的单突触反射弧。
随后，他们将人造传入神经与蟑螂腿上的传出神经对接，对压力传感器施加一定压力。压力信号转换成突触后电流，电流经过放大后传输到蟑螂腿上的传出神经，成功地驱动了蟑螂腿的运动。
蟑螂腿被人造神经控制机理（图片来源：Science）
如果采用脑机接口技术，用编码后的信号对大脑特定区域和细胞进行刺激，就能够实现触觉体验。然而，因为目前对知觉的神经编码的理解十分有限，再加上脑机接口技术的发展需要进一步突破，我们目前离攻克这一技术难题还有一定距离。
除了建立触觉系统，我们还可以利用柔性电子技术使各类传感器拥有皮肤一般的性质，比如柔软、可拉伸、自愈合等，然后将它们覆盖在皮肤上或衣服上，随时随地感知环境和自身的信息。此外，人们还能借助其他物理化学原理来让电子皮肤具备更多功能。比如，针对外界环境而言，电子皮肤可被用来感知阳光中紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等；针对人体自身而言，电子皮肤可无创地监测体液中血糖等生理指标信息，采集脑电、肌电和心电信息等。
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