【前沿技术】电子皮肤发展概览

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现有的义肢和智能机器人已经能够在机械运动方面模拟正常人的活动，目前的发展重点是能够具备感知能力。主要原因是：①医学上，用感觉信息刺激残肢的感觉通路，可缓解约80％截肢患者的幻肢痛；②心理学上，具有触觉的义肢能让人感觉其是身体的一部分；③使用时，仅依靠视觉和听觉会导致一定程度的认知紧张，触觉能获取肢体位置和握力，能实现更轻松、自然的操作。人的皮肤具有机械耐久性、拉伸性、生物降解性，并能够获得大面积的复杂感觉。人们希望研发仿皮肤的“电子皮肤”，为义肢和智能机器人赋予感觉。

一、皮肤的感觉功能

人的皮肤中有7种感觉感受器，分别能够感受疼痛、寒冷、温暖以及4种机械刺激。其中，慢适应感受器（SA-I和SA-II）响应静态压力，SA-I位于皮肤表层，可区分物体形状和纹理，SA-II位于皮肤深处，能测量皮肤拉伸（应变）；快适应感受器(FA-I和FA-II)响应动态压力和波动，分别测量低频和高频振动。这些感受器可以记录时间与电压峰值的关系，即产生动作电位。大脑将综合各种信号，提供接触物位置/尺寸/形状/纹理/硬度/湿度等复杂信息。

二、模仿皮肤的机械特性

电子皮肤需要使用低弹性模量和可拉伸的材料，模拟皮肤约75%的应变能力。构建可拉伸电子器件一般有使用弯曲的柔性材料、不连续的刚性材料和可拉伸材料三种方法。

1、弯曲的柔性材料

将柔性器件连接至预拉伸的弹性体基底，释放应力后可获得波浪形柔性器件，具备一定的拉伸能力。但部分材料弯曲时会发生性能改变，同时波浪形结构也会影响接触的紧密程度。

2、不连续的刚性材料

在柔性基板上使用不连续的刚性组件也能构建可拉伸器件，这种方法能够使用现有的高性能器件，但拉伸性和器件布置密度间要有所权衡。

3、可拉伸材料

用于柔性电子的本质可拉伸材料需要同时具备良好的机械性能和电学性能。一种方法是在绝缘弹性体中掺入电活性填料，但填料含量过高会影响拉伸性，可通过降低渗流阈值、构建一维材料的二维网络（如碳纳米管网络）提高导电性和拉伸性。另一种方法是聚合物电子材料的化学改性（如在导电性好、拉伸性差的PEDOT：PSS中添加非离子增塑剂提高拉伸性）。目前已经制出温度传感器、触觉传感器和晶体管，但性能仍不满足实用要求。例如，使用离子电介质的可拉伸晶体管时间响应性不好，限制了在电子皮肤中的应用。

此外，为了模仿皮肤的耐久性，可采用在低模量材料网络中包裹高模量材料网络的做法，在低应变下柔性好，高应变时利用高韧材料防止断裂。

图 1 （a）构建可拉伸电子器件的三种方法，从左向右依次为：利用预拉伸柔性材料的波浪形结构、不连续的刚性材料、可拉伸材料（b）模仿皮肤耐久性：在低模量材料网络中包裹高模量材料网络

三、电子皮肤工作原理

为了模拟人体皮肤的功能，需要研发相关的传感器、信号编码方法以及将感觉信号传递至神经系统的方法。

图 2  电子皮肤的工作流程

1、信号传感器

为了模仿皮肤的感觉，需要把外界温度、湿度、力学等刺激转换为电信号。不同传感器可分布在电子皮肤的不同深度，能够实现复杂的感知。复合传感器外层可包裹弹性体涂层，增强抓握等摩擦力。此外，还可使用单个传感器感知不同刺激信号，减小体积重量。

（1）温度传感器

生物温度传感器仅能识别有限的温度区间，但对动态温度变化较敏感。目前电子皮肤中的温度传感器可采用热电阻、p-n节、热膨胀材料，但前两者分别对应力和光敏感，热膨胀材料虽具有较大的滞后效应，但可设计成不依赖应变的类型。

（2）静力学传感器

静力学传感器可采用电容或电阻两种形式。电容传感器通过改变两个平板间的距离和正对面积调节电容大小，电介质可采用固体聚合物、微结构弹性体或气隙，其中微结构弹性体的粘弹性效应较小，响应时间和灵敏度较高。电阻传感器可使用压阻材料或接触电阻调制，其中接触电阻对温度不敏感、器件较薄，是重点研究方向。目前，电容和电阻传感器的检测阈值已经低于人体皮肤（约1mN），响应时间与人体皮肤接近（约15ms）。为了模拟SA-II的应变传感能力，电阻传感器可通过测量拉伸时材料的几何外形（长度、截面积等）或电阻率引起的电阻变化获取应变；电容传感器则测量节点层厚度或电极面积的变化引起的电容变化。

（3）动力学传感器

动力学传感器可使用压电和摩擦电两种形式。压电传感器受到应变时，ZnO、BaTiO₃、聚偏二氟乙烯等非中心对称晶胞材料中偶极子的大小和密度发生改变，导致电压变化；摩擦电传感器由接触电过程产生偶极子，导致电压变化。这两种传感器对动态压力有选择敏感性，能够模拟人体皮肤中的FA-I和FA-II感受器。此外，还可扩展应用于自供电。

图 3 （a）电容式、压阻式和接触电阻式的静力学传感器（b）硅纳米带制成的多功能电子皮肤，可测量应变、压力、温度、湿度

2、编码仿生信号

为了连接人体神经系统，电子皮肤传感器的输出信号需要转换为模拟动作电位的脉冲波形。一般过程是：先用放大器放大传感器输出信号，再调制环形振荡器形成数字信号，随后通过边缘检测等电路控制输出波形，使其类似动作电位。最后，还要通过将射频数据传输模块集成至柔性材料或使用柔性线圈，实现功率和数据的无线传输。目前，已经利用硅膜、柔性氧化物、碳纳米管等材料制出了上述电子器件，如柔性放大器、有机环形振荡器等。

图 4  放大器、环形振荡器、边缘检测

集成传感器与晶体管可实现局部信号的转换和放大，并减少连线。电容传感器可用作晶体管栅极电介质，或晶体管延伸出的栅极；电阻传感器可与晶体管的源极相结合。将传感器与模数转换器（如环形振荡器）连接，可将传感器信号直接转换为数字信号，无需放大器或外部模数转换器。

图 5 （a）电容传感器作晶体管栅极电介质（b）电阻传感器与晶体管源极相结合（c）传感器与模数转换器连接

3、用仿生信号刺激神经

使用电子皮肤的最后步骤是将仿生信号传递至神经系统。目前。可通过电学、光学、声学、电磁感应等方式刺激中枢和周围神经，神经接口可位于大脑感觉皮层、脊柱、肌肉组织、周围神经系统等。

图 6  利用（i）电（ii）光（iii）磁信号刺激大脑、脊柱、肌肉和周围神经

（1）电刺激

可在大脑皮层中的植入电极进行直接皮质内微刺激提供感觉反馈，但这种方法刺激区域有限，长时间使用后电极与脑区间的界面会逐渐退化。通过脊柱硬膜外和硬膜下电刺激、肌肉的非侵入式电刺激也能获得触觉，其中肌肉刺激法空间分辨率低、易导致肌肉疲劳并需要高电压。将电子皮肤连接周围神经系统的风险较小，是目前的研究热点。可使用cuff电极等束外电极或束内电极连接周围神经。为提高分辨率，还可使用纳米级电极连接单个神经元。

（2）光刺激

在大脑感觉皮层或周围神经中表达特定的视蛋白（如光敏蛋白），能用光刺激获得触觉。使用光纤耦合激光器或柔性LED传递光信号。与电刺激相比，光刺激更有效，需要的脉冲波形更简单，但将光遗传学疗法用于人体还存在较大的技术、监管和伦理问题。

（3）磁刺激

可使用经颅和经皮磁刺激恢复触觉，但分辨率较差。可以考虑将磁能转化为热能的思路，例如借助磁纳米颗粒功能化的热敏辣椒素受体提供触觉。

四、典型进展

2018年5月，斯坦福大学、首尔大学、南开大学的研究团队研发出一种具有完整皮肤功能的电子皮肤。使用电阻压力传感器、有机环形振荡器和突触晶体管，能够分辨盲文字符。其中，电阻压力传感器由碳纳米管电极/碳纳米管-P3HT-聚氨酯复合弹性介电体/Au电极制成，并用SEBS和聚酰亚胺基板封装，灵敏度与人体接近；有机环形振荡器由奇数个伪CMOS反相器组成，将压力传感器信号转换为0-100Hz的电压脉冲；突触晶体管将电压脉冲转换为刺激神经的电流信号。研究人员将这种电子皮肤连接一条离体蟑螂腿的运动神经，蟑螂腿能在与外界物体接触时发生收缩。

五、未来发展

电子皮肤对改进脑机接口，促进义肢、智能机器人、人机交互等领域的进步有重要意义。电子皮肤的研发还需解决多方面问题，包括可拉伸电子设备、信号转换电路、神经接口等。目前，可拉伸电子设备发展速度较快，技术成熟度较高，已经生产出样件；能输出仿生动作电位的信号转换电路也达到了概念验证阶段，但还需继续优化电路、提高集成度和耐用性；神经接口方面的研究则仍然较少。

（蓝海星：马晓晨）