鮑哲南Nature子刊經典綜述：義肢用電子皮膚的探索

【引言】

皮膚是我們與外界接觸的主要媒介，也是人類身體上不可或缺的重要組成部分。利用電子器件重塑皮膚性能在義肢制造和醫療領域也展現出重大意義。近年來，對人造皮膚的探求推動了模仿皮膚獨特性質的材料的探索與創新，其中不乏對機械穩定性和延展性、生物降解能力和大面積復雜感應能力的研究。為實現機械性能優異的多功能類皮膚電子器件，并改善腦/機接口以實現皮膚感應信號到人體內部的傳輸，研究者們正致力于開發新材料及制備集成技術。

斯坦福大學鮑哲南教授（通訊作者）等人在Nature Materials上發表的題為“Pursuing prosthetic electronic skin”的綜述系統介紹了用于模仿皮膚感知和產生仿生信號的材料選擇與電子器件的設計進展。該綜述通過對真實皮膚的感官和傳感機制的研究、柔性仿皮膚材料的機械性能、如何塑造皮膚感知功能、感知信號編碼處理和中樞神經感知機制等方面介紹了實現人造電子皮膚所面臨的問題與攻克方法。

綜述總覽圖

一. 仿生學靈感

為重建接觸自然感知，理解和模仿生物皮膚中影響感知性能的關鍵因素尤為重要。人體皮膚中的感應接收器主要為以下七種：疼痛感受器、冷感受器、暖感受器和四種機械刺激感受器。皮膚中的接收器可以記錄時間與電壓峰值的關系，即動作電位，使人體可以感知不同的溫度。而四種機械感受器可以在不同時間尺度和空間尺度測量作用力，其中慢適應受體(SA-I和SA-II)對靜態壓力產生響應，而快適應受體(FA-I和FA-II)對動態壓力（壓力對時間的導數）和波動產生響應。其他復雜感應則由皮膚中的高密度多種接收器共同完成，比如表面硬度則通過皮膚受體和內部受體的綜合輸出信號來測量，而表面濕度的感知則是基于機械刺激接收器和熱接收器的共同作用。傳統電子器件不能滿足對皮膚綜合機械性能和感知性能的模仿，因此開發新材料新技術來實現皮膚中感受器、信號編碼、信號傳輸和與神經系統間的接口尤為重要。

圖1 皮膚受體和傳導過程

?二. 機械性能模擬

皮膚通過彎曲和拉伸適應身體運動的能力不能通過傳統的剛性硅基器件來實現。而柔性電子器件則可在曲面上實現彎曲和拉伸等行為，柔性基底加工過程簡單也可以降低制造成本。然而若要完全模仿皮膚的感知功能，我們需要材料具有很低的彈性模量和很好的可拉伸性。本文將討論三種實現可拉伸電子器件的主要途徑：(1)柔性器件的屈曲；(2)引入非連續剛性元件；(3)利用本征柔性材料。

?1. 柔性器件的屈曲

將柔性器件固定在預先拉伸的彈性基底上，當基底的應力釋放后，柔性器件會在垂直平面方向發生屈曲。而基底可以重新被拉伸到不同曲率半徑的預應力狀態，屈曲可以使各種高性能柔性器件在拉伸基底上高效運作。

2. 引入非連續剛性元件

在柔性基底上圖案化非連續剛性元件陣列來構建可拉伸電子器件，再利用金或硅等剛性材料或可拉伸的碳納米管來實現剛性元件間的導電連接，變形則發生在剛性器件間的可拉伸區域。引入剛性元件使高性能晶體管得以運用，但所制備柔性器件的拉伸性能則受剛性元件與可拉伸導電連接的面積比的限制，因此犧牲部分可拉伸性能以獲得足夠的器件密度在所難免。

3. 利用本征柔性材料

本征可拉伸電子器件的難點在于開發同時具備合適機械性能和電學性能的材料。比如在絕緣性聚合彈性體中嵌入電學活性成分，在該類復合材料中，填充物含量的增加在提高導電性的同時也會降低可拉伸性能。該問題可以通過降低潤濕閾值和構建基于一維材料的二維網狀結構來改善。最近研究成果也表明可以通過高分子電子材料的化學改性來獲得合適機械和電學性能的柔性電子器件。

4. 柔性器件韌性和耐久性

義肢的使用過程中會受到多種不可預見的機械損傷，因此電子皮膚的韌性和耐久性也是考慮的重點。我們需要足夠柔軟但又同時具備高韌性和撕裂強度的彈性材料來滿足電子皮膚的持久性應用。

圖2 電子器件可拉伸性實現策略

三. 再造皮膚知覺

皮膚能夠感受包括溫度、壓力、應力和振動等多種刺激。實現電子皮膚的感知功能需要將這些刺激信號轉化為電信號，因此信號轉換是利用人工設備模擬生物受體電信號輸出的第一步。生物受體中兩個最關鍵的組成部分即傳感器和信號處理電路。

1. 溫度傳導

生物體皮膚對恒定溫度的感知能力很弱，但卻對溫度變化很敏感。目前應用于電子皮膚中的溫度傳感器主要有熱敏電阻、p-n結和熱膨脹的復合材料。其中熱敏電阻阻抗隨溫度線性變化，用于電子皮膚中溫度分辨率達0.014℃，但它同時也對應力敏感；熱敏p-n結是基于載流子的熱活化來測溫，該類傳感器敏感性可優于熱敏電阻，但卻具有光響應特性；在聚合物基體中加入導電填充物，溫度升高基體膨脹使填充物分布稀疏進而使電阻增大。

2.?靜態應力傳導

模仿SA-I接收器需要傳感陣列具有高達0.5mm的壓力測量空間分辨率。目前感應靜態壓力刺激的傳感器主要基于容抗和阻抗機制。在電容式傳感器中，主要通過改變兩個平行極板間的距離和正對面積來調節電容大小。在電阻式傳感器中包括兩種機制：材料本身的壓電性質和粗糙或特殊結構導體與電極間的接觸電阻。

3. 靜態應變傳導

SA-II接收器主要測量皮膚中的應力，其模仿原理與靜態力傳導的實現大體相同。電阻式應變傳感器主要通過改變傳感器的幾何因素（長度、截面積等）或改變材料的電阻率（受半導體能帶結構影響）來調控傳感器電阻值。

4. 動態力傳導

壓電或摩擦電傳感器通過對機械變形的響應而產生電壓。變形使活性層中的偶極子大小顯著變化，進而在電極上產生積聚電荷。在具有非中心對稱晶胞的材料上施加應力，不僅可以改變晶胞中偶極子的大小也可以改變單位體積材料中偶極子的數量。可利用的壓電材料包括無機的ZnO和BaTiO₃，有機的聚偏二氟乙烯等。

5. 仿生傳感陣列

目前，研究者利用多種仿生策略來改善器件性能并使其具有類皮膚功能。比如通過模仿皮膚上的中脊結構和指紋結構，將接收器嵌入電子皮膚不同深度，在壓敏探測陣列加上彈性涂層等來提高電子皮膚的刺激敏感性。另外，研究者們通過構筑多層電子皮膚來實現多類型傳感器對復雜刺激的感知。

圖3 皮膚內感知刺激傳導元件

四. 仿生數據編碼方法

為了安全和有效地模擬神經組織，研究者采用脈沖波的形式來模仿動作電位。其中重要的參數包括刺激脈沖的振幅、相位和周期。為了實現電子皮膚與神經系統的接合，來自于傳感器的電信號輸出需要處理成神經系統能夠感知的形式。并需要在電子皮膚中大面積植入高密度的傳感器以保證高的空間和時間分辨率，來實現更真實的生物感知。因此，柔性讀出矩陣元在高效信號處理和傳輸中也至關重要。

1. 編碼輸出仿生信號用電路

模擬脈沖的振幅控制感覺的形成的感應區域的大小，因此需要引入放大器來放大傳感陣列記錄的信號。研究者們利用不同的方法構建了柔性放大器，比如將硅薄膜或圖案化的有機半導體轉移到柔性基底上并將它們連接成互補金屬氧化物半導體結構，并通過調節脈沖的頻率、波形和周期等來調節輸出信號強度。

2. 利用讀出電子學進行傳感器集成

多種功能的傳感器陣列需要高密度覆蓋大面積范圍來保證感知的空間分辨率，然而降低傳感器尺寸的同時也會降低模擬信號的振幅，另外增大傳感器密度的同時交錯的連線也會引起串擾。這些問題可以通過在每個傳感器上連接一個晶體管來實現局部信號的傳導和放大。將感知部位的信號數字化也可以降低信號傳輸過程的干擾。目前，已提出多種從傳感器中讀取信息的方法，例如將有源傳感器與外部A/D轉化器相結合，利用A/D轉換器進行局部模擬信號傳導或將來自于多部位的傳感器的數字信號接入同一采樣線。

圖4 可用于收集和轉換仿生數據的讀取器件設計

圖5 用于信號讀出和尋址的傳感器和電路設計

五. 重建自然觸摸感知

將仿生信號傳輸到神經系統是利用電子皮膚重塑自然觸摸感知和本體感受最后的重要一步。然而困難在于目前對神經系統編碼感知信號的有限認識，使建立電子皮膚與神經系統間穩定接口成為難題。目前對中樞神經系統和邊緣神經系統的模擬主要通過電、光、聲和電磁場的引入來實現。

1. 電刺激

對于中樞神經系統來說，通過植入具有人體感知編碼模式的電極直接在皮質層下形成微刺激，可以向病人其他仍有感知的部位提供知覺反饋。但是由于對電信號刺激的中樞活性區域的控制有限，植入電極與靶向大腦區域間的界面接觸隨時間退化，因此這種方法很難喚起足夠強度和準確的感覺知覺。研究人員將遺傳標記圖像處理應用于機械性刺激接收器和脊髓之間的對應模式顯示，推動了通過脊髓刺激重建肢體感覺的研究。可利用硬膜內外電刺激來實現電子皮膚和脊髓間的界面接口。

2. 光刺激

通過向靈長類動物的體覺大腦皮層引入特定視蛋白并在大腦中激發局部光刺激，生物體則可以通過手部的感知來處理光刺激信號。光信號的傳輸可以通過光纖耦合激光器或柔性多色LED陣列來實現。最近，研究結果表明通過基因改造小鼠，使其邊緣神經系統中具備視蛋白，小鼠可對腳趾上的藍光照射產生感應。然而，光刺激實現觸覺感知向大腦皮層的傳輸仍會在長時間內受到人體基因治療在技術和倫理上的限制。

3. 磁刺激

目前已有經顱和經皮磁刺激及其觸覺感知應用的研究。當表面磁發生器與皮膚接觸時，線圈產生的磁場會很容易透過皮膚并在神經元上產生刺激電流。磁刺激有望實現特定神經元的遠程控制，但空間分辨率和臨床應用仍需進一步研究。

4. 與神經系統間的穩定無線接口

在病人長期持續的動作后，植入電極或光學器件與中樞神經系統間仍能保持穩定堅固的界面接觸是義肢電子皮膚應用的關鍵部分。最近研究者利用柔性電子元件設計來實現其與神經系統間長期穩定的界面接觸。這使得植入電子元件與神經系統具有相似的機械性能以減少神經元損傷和電子元件外圍傷疤組織的形成。另外，研究者也提出無線植入電子器件，用于實現器件與自由活動生物中樞和邊緣神經系統的連接。

圖6 實現義肢電子皮膚與神經系統相結合的新興技術與發展前景

【總結與展望】

實現義肢電子皮膚所面臨的挑戰是多領域的，包括機械相容的電子器件、傳感器、神經接口記憶輔助材料與設備的設計。納米尺度的細胞間電極與細胞特異性光刺激等新興技術，這為將高密度陣列傳感器信號注入對應的邊緣神經組織提供了大好前景。未來，具有高密度傳感器的仿生電子皮膚可用于先進機器人，使大量輸入信號的利用更加容易。類似于人工視網膜的低功耗視覺系統、仿生傳感器與邊緣神經傳感器的聯合分析可實現低功耗的觸覺傳感體系。人工電子皮膚將為人類健康記憶人工智能等領域做出深遠的貢獻。

文獻鏈接：Pursuing prosthetic electronic skin (Nature Materials, 2016, doi:10.1038/nmat4671)

本文由材料人電子電工學術組任丹丹供稿，材料牛整理編輯。

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