皮膚的案例
全球柔性電子皮膚進(jìn)展梳理 它離真正的人體皮膚還有多遠(yuǎn)？
Malliaras等人研發(fā)了超薄有機(jī)薄膜中的有機(jī)電化學(xué)晶體管組成的電子皮膚，該薄膜旨在記錄大腦表面的電生理信號(hào)。利用該裝置在體內(nèi)對(duì)癲癇樣放電進(jìn)行測(cè)試，與表面電極相比，由于局部放大而顯示出優(yōu)異的信噪比，為醫(yī)療應(yīng)用帶來了巨大的希望[4]。
圖5. 置于軀體感覺皮層上的ECG探針的光學(xué)顯微照片，其中開顱區(qū)由虛線包圍。比例尺：1毫米。
3.人造皮膚
王中林等人開發(fā)了一個(gè)高度可伸縮和舒適的矩陣網(wǎng)絡(luò)，成功擴(kuò)展了電子皮膚的感應(yīng)功能，包括但不限于溫度，面內(nèi)應(yīng)變，濕度，光，磁場，壓力和接近度。該人造皮膚在人形機(jī)器人，新假肢，人機(jī)界面和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)方面具有廣泛的應(yīng)用[6]。
圖6. 皮膚靈感高度可伸縮和舒適的矩陣網(wǎng)絡(luò)。
圖7 人造皮膚對(duì)人手的控制（動(dòng)圖）。
目前，電子皮膚的功能受限，主要是因?yàn)樵陔娐泛驮O(shè)備保持柔性的同時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單的功能單元集成，進(jìn)而只能實(shí)現(xiàn)基本的類皮膚功能。對(duì)于電子皮膚的進(jìn)一步需求是實(shí)現(xiàn)真正的高級(jí)功能性電子皮膚，這依賴于由集成的晶體管組成的可拉伸電路[7]。
鮑哲南等人展示了一種可拉伸的聚合物晶體管陣列，具有前所未有的設(shè)備密度，每平方厘米347個(gè)晶體管。這些晶體管具有與非晶硅相當(dāng)?shù)钠骄姾奢d流子遷移率，當(dāng)經(jīng)受1000％的應(yīng)變1000次循環(huán)時(shí)，僅略微變化（在一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)），沒有電流-電壓滯后。此工藝為合并其他可拉伸的聚合物材料提供了一個(gè)通用平臺(tái)。
圖8. 可拉伸晶體管陣列的三維圖，作為皮膚電子學(xué)的核心構(gòu)件。
展開 人造皮膚有了“感覺”，人造神經(jīng)系統(tǒng)還遠(yuǎn)嗎？
在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開發(fā)出了一款全新的人造神經(jīng)系統(tǒng)，并成功用它實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺的模擬，這項(xiàng)研究為假肢制造、人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會(huì)給機(jī)器人某種反射能力。
在未來，機(jī)器人不僅會(huì)有人的外形，其皮膚也不再是鋼鐵和橡膠，而是如同真正的人的皮膚一樣，有觸覺、溫覺、痛覺等。面對(duì)如此“有血有肉”的機(jī)器人，你還能只把其作為一個(gè)機(jī)器來看待嗎？而除了將這項(xiàng)研究應(yīng)用在機(jī)器人身上，我們還能利用人造神經(jīng)系統(tǒng)做些什么呢？
搭載了神經(jīng)的人造皮膚，能為我們做些什么？
1.青春永駐的秘密
在電影《重返20歲》的設(shè)定里，楊子姍飾演的“奶奶”一旦出血，皮膚上就會(huì)出現(xiàn)皺紋，而在電影最后，因?yàn)榻o孫子獻(xiàn)血，妙齡女郎還是重回了老年人的狀態(tài)。
要說電影里防止皮膚衰老還真是比現(xiàn)實(shí)生活中容易得多，只要堅(jiān)持不流血就行了。但是在現(xiàn)實(shí)生活里，護(hù)膚、打針、激光、拉皮，女人們?yōu)榱藴p緩皮膚衰老，減少皮膚皺紋可謂是無所不用其極。然而，皺紋會(huì)有的，黃斑會(huì)有的，該老還是要老的。
那么，如何才能永遠(yuǎn)讓自己的皮膚光滑又細(xì)膩呢？答曰：人造皮膚。
從令人悚然的“人皮面具”到用化合物做的面膜面具，人們?cè)谌嗽?em>皮膚上一直下了不少的功夫。比如，麻省理工曾利用具有良好彈性、透氣性、附著性和抗拉強(qiáng)度的聚硅氧烷合成了一種透明聚合物薄膜，用來保護(hù)皮膚并減少皮膚水分的流失。
以上種種研究，可以說是將“人造皮膚”打造得非常纖薄自然了。然而，皮膚不僅僅是為了覆蓋我們的肌肉而存在，它也是一種非常有用的傳感材料。在很多人看來，手感覺到溫度是理所當(dāng)然的，卻不會(huì)有人去思考從皮膚到大腦的信號(hào)傳遞過程。
其實(shí)，在日常生活中，我們不僅可以依靠視覺來確認(rèn)我們已經(jīng)成功地抓住了物體，還可以通過皮膚的感知來確認(rèn)。
展開 具有感應(yīng)功能的皮革用于多功能電子皮膚
【背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，是保護(hù)內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動(dòng)等）刺激。在生活中，人不可避免的會(huì)受到外傷（戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的肢體保護(hù)和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實(shí)意義。電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關(guān)重要。例如，鮑哲南團(tuán)隊(duì)通過引入微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應(yīng)時(shí)間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點(diǎn)，因此不適合人長時(shí)間穿戴。同時(shí)，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。其中Rogers團(tuán)隊(duì)通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基底相結(jié)合，將傳統(tǒng)的脆性材料轉(zhuǎn)化為高度柔韌、可拉伸和高性能的電子皮膚。可見通過合理地設(shè)計(jì)和集成，電子皮膚是可以實(shí)現(xiàn)甚至超越真實(shí)皮膚的性能。
眾所周知，皮革是從動(dòng)物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料，同時(shí)擁有皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過傳統(tǒng)的皮革工藝，可以使皮革恢復(fù)類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未開發(fā)。盡管Rogers團(tuán)隊(duì)使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅將其作為簡單的基底處理，而忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點(diǎn)。皮革的多級(jí)結(jié)構(gòu)使其易于擔(dān)載其它材料，具有制備高性能電子皮膚的潛能。通過將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結(jié)合，可以使這一“死了的皮膚”，“起死回生”重新賦予它類似皮膚，甚至超越皮膚的功能。
【成果簡介】
最近，西北工業(yè)大學(xué)的黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)的霍峰蔚教授和四川大學(xué)的黃鑫教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種簡單的、可設(shè)計(jì)的皮革電子皮膚。
展開 人造皮膚有了“感覺”，人造神經(jīng)系統(tǒng)了解一下
在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們開發(fā)出了一款全新的人造神經(jīng)系統(tǒng)，并成功用它實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸覺的模擬，這項(xiàng)研究為假肢制造、人造皮膚邁出了第一步，或許有一天會(huì)給機(jī)器人某種反射能力。
在未來，機(jī)器人不僅會(huì)有人的外形，其皮膚也不再是鋼鐵和橡膠，而是如同真正的人的皮膚一樣，有觸覺、溫覺、痛覺等。面對(duì)如此“有血有肉”的機(jī)器人，你還能只把其作為一個(gè)機(jī)器來看待嗎？而除了將這項(xiàng)研究應(yīng)用在機(jī)器人身上，我們還能利用人造神經(jīng)系統(tǒng)做些什么呢？
搭載了神經(jīng)的人造皮膚，能為我們做些什么
1.青春永駐的秘密
在電影《重返20歲》的設(shè)定里，楊子姍飾演的“奶奶”一旦出血，皮膚上就會(huì)出現(xiàn)皺紋，而在電影最后，因?yàn)榻o孫子獻(xiàn)血，妙齡女郎還是重回了老年人的狀態(tài)。
要說電影里防止皮膚衰老還真是比現(xiàn)實(shí)生活中容易得多，只要堅(jiān)持不流血就行了。但是在現(xiàn)實(shí)生活里，護(hù)膚、打針、激光、拉皮，女人們?yōu)榱藴p緩皮膚衰老，減少皮膚皺紋可謂是無所不用其極。然而，皺紋會(huì)有的，黃斑會(huì)有的，該老還是要老的。
那么，如何才能永遠(yuǎn)讓自己的皮膚光滑又細(xì)膩呢？答曰：人造皮膚。
從令人悚然的“人皮面具”到用化合物做的面膜面具，人們?cè)谌嗽?em>皮膚上一直下了不少的功夫。比如，麻省理工曾利用具有良好彈性、透氣性、附著性和抗拉強(qiáng)度的聚硅氧烷合成了一種透明聚合物薄膜，用來保護(hù)皮膚并減少皮膚水分的流失。
對(duì)于人造皮膚未來的研發(fā)方向，EPISKIN體外重建皮膚中心還將致力于探索研發(fā)更加復(fù)雜精細(xì)的重建皮膚及皮膚附屬器模型，例如含有毛囊、汗腺等更接近于真實(shí)皮膚狀況的皮膚模型。
以上種種研究，可以說是將“人造皮膚”打造得非常纖薄自然了。然而，皮膚不僅僅是為了覆蓋我們的肌肉而存在，它也是一種非常有用的傳感材料。在很多人看來，手感覺到溫度是理所當(dāng)然的，卻不會(huì)有人去思考從皮膚到大腦的信號(hào)傳遞過程。
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MIT 趙選賀團(tuán)隊(duì)讓醫(yī)療器械長出柔軟耐用的水凝膠皮膚
（通過對(duì)水凝膠皮膚進(jìn)行綠色染料的擴(kuò)散，可以清楚地看到整個(gè)表面被水凝膠皮膚完全覆蓋）
同時(shí)，該方法還能夠便捷地對(duì)水凝膠皮膚的厚度和粗糙度等進(jìn)行控制，從而滿足不同的應(yīng)用需求。我們僅僅通過在“單體水溶液”中添加/不添加微量鏈轉(zhuǎn)移劑（其它工藝完全一致），就可以得到厚度和粗糙度具有顯著區(qū)別的水凝膠皮膚（如圖3c，d）。
圖3. a在厘米尺寸的“Octet truss”形硅橡膠上均勻制備的水凝膠皮膚；b在具有微米級(jí) “溝槽”的硅橡膠微流控芯片上均勻制備的水凝膠皮膚；c薄且較光滑的水凝膠皮膚；d厚且較粗糙的水凝膠皮膚
這種水凝膠皮膚層比橡膠表面要柔軟很多。對(duì)比圖4a（橡膠表面彈性模量）和圖4b（水凝膠皮膚表面彈性模量），可以看出，水凝膠皮膚的表面彈性模量僅僅只有橡膠表面的約1/70。并且，從宏觀上看，水凝膠皮膚基本不會(huì)改變橡膠的拉伸模量。這說明該水凝膠皮膚只是改變了橡膠表面的柔軟性，并沒有影響橡膠整體的性能和功能（如圖4c）。
圖4. a橡膠表面彈性模量；b水凝膠皮膚表面彈性模量；c制備水凝膠皮膚前后，橡膠的整體硬度對(duì)比；d摩擦系數(shù)隨壓強(qiáng)的變化對(duì)比；e摩擦系數(shù)隨時(shí)間的推移對(duì)比；f水凝膠皮膚被長時(shí)間摩擦前后對(duì)比
同時(shí)它在水中具有極其優(yōu)異的耐摩擦磨損性能。一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會(huì)隨壓強(qiáng)的增大而升高（如圖4d）。另一方面，制備了水凝膠皮膚的PDMS的摩擦系數(shù)幾乎不會(huì)隨摩擦?xí)r間的增長而升高（如圖4e）。這主要是由于水凝膠皮膚具有非常優(yōu)異的保水性能和抗磨損性能（見圖4f）。另外，水凝膠皮膚層還具有非常優(yōu)異的抗菌潛力。我們證明了大腸桿菌極難在水凝膠皮膚表面生長和附著（如圖5a，b）。
展開 具有感應(yīng)功能的改性皮革用于多功能電子皮膚
【背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，是保護(hù)內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動(dòng)等）刺激。在生活中，人不可避免的會(huì)受到外傷（戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的保護(hù)免受傷害和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實(shí)意義。而電子皮膚是一種模仿的人體皮膚功能的人工皮膚。在人工智能研究領(lǐng)域中，研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷和仿生假肢都至關(guān)最要。例如，鮑哲南團(tuán)隊(duì)通過引入微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和短的響應(yīng)時(shí)間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點(diǎn)，因此不適合人長時(shí)間穿戴。同時(shí)，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。其中Rogers團(tuán)隊(duì)通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基質(zhì)相結(jié)合，將傳統(tǒng)的脆性材料轉(zhuǎn)化為高度柔韌、可拉伸和可表現(xiàn)的電子皮膚。可見合理地集成不同功能的電子皮膚是可以實(shí)現(xiàn)甚至超越真實(shí)皮膚的性能。
眾所周知，皮革是從動(dòng)物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料，同時(shí)擁有皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。雖然傳統(tǒng)皮革的感知能力處于剝離狀態(tài)，但是可以恢復(fù)真皮的重要功能——敏感性。盡管Rogers團(tuán)隊(duì)使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅是將其作為簡單的基材處理，而忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點(diǎn)。由于皮革的層次結(jié)構(gòu)使其易于裝載其他材料，所有皮革是作為制造高性能電子皮膚的潛在候選者。通過將不同的功能材料與皮革相結(jié)合制造出的新皮革，讓“死皮”重新被利用甚至超越真皮。
【成果簡介】
最近，南京工業(yè)大學(xué)的黃維院士、霍峰蔚教授和四川大學(xué)的黃鑫教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種簡單的、可設(shè)計(jì)的皮革電子皮膚。
展開 生物3D打印新技術(shù)：懸浮層增材制造，為治愈深度皮膚損傷帶來福音
導(dǎo)讀：皮膚作為人體的最大器官，也是我們健康的第一道防線。針對(duì)于燒傷，深傷口和不愈合的傷口都可能構(gòu)成巨大威脅，需要立即進(jìn)行治療。治愈嚴(yán)重皮膚損傷的最佳方法是通過移植，但必須有健康供體提供皮膚，這對(duì)于急需移植的患者無疑是一大難題。3D生物打印新技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這個(gè)問題帶來了希望，它能夠幫助醫(yī)生為患者制造合適的替代移植物。
2022年1月7日，南極熊獲悉，來自英國伯明翰大學(xué)和哈德斯菲爾德大學(xué)的研究人員就開發(fā)了一種新的3D生物打印技術(shù)，可用于治療慢性皮膚損傷。該方法被命名為懸浮層增材制造（SLAM），能夠打印出一種新型生物材料，準(zhǔn)確地模擬哺乳動(dòng)物的皮膚結(jié)構(gòu)。
事實(shí)上，根據(jù)研究人員的說法，這種生物材料是第一個(gè)模擬皮膚中所有三個(gè)主要層次的生物材料——皮下組織層、真皮層和表皮層，使其成為一種獨(dú)特的三層皮膚等效物。早期的實(shí)驗(yàn)表明，3D生物打印的皮膚可以放置在傷口的位置，以誘導(dǎo)愈合，在此過程中減少疤痕組織。
△懸浮層增材制造（SLAM）。圖片來自伯明翰大學(xué)。
深入三層皮膚的治療
雖然我們的皮膚非常善于愈合表面的傷口，但更深的慢性傷口的修復(fù)往往是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)槲覀兊?em>皮膚實(shí)際上由三個(gè)不同的層組成，而頂層往往比底層愈合得更快，導(dǎo)致較深的傷口有時(shí)會(huì)自行塌陷。其結(jié)果是疤痕組織和正常皮膚功能的減少。
一段時(shí)間以來，醫(yī)學(xué)研究人員一直試圖開發(fā)準(zhǔn)確的皮膚替代品，但英國研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)，這些皮膚模型沒有一個(gè)能夠同時(shí)模擬真實(shí)事物的化學(xué)和機(jī)械特性。問題出在哪里？模仿三層結(jié)構(gòu)已被證明是困難的，因?yàn)槊恳粚拥奶匦远加泻艽蟮牟煌?"皮膚實(shí)際上有三種不同的細(xì)胞類型，它們都以不同的速度生長，"該研究的共同作者Alan Smith解釋說。"
展開 ：提出皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ?/span>
該團(tuán)隊(duì)提出了“皮膚-電極界面?zhèn)鞲心Ｊ健保ㄟ^簡單地在皮膚表面貼附電極即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高分辨率的觸覺傳感功能，為人體表皮傳感技術(shù)和可穿戴電子技術(shù)領(lǐng)域提供了一種全新的思路，相關(guān)論文以“Skin-Electrode Iontronic Interface for Mechanosensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。
人體皮膚具有觸覺感知功能，可以感受到外界的力刺激，是人類與外界交互的重要器官。然而，一部分人群可能因?yàn)榛疾』蛏窠?jīng)受損等原因喪失部分觸覺功能，因此，需要開發(fā)一種表皮傳感器件，幫助觸覺功能障礙的人群恢復(fù)觸覺。除了以上需求，人類還需要表皮電子器件或可穿戴設(shè)備采集人體生理信號(hào)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)。但已有的傳感器通常為多層結(jié)構(gòu)，其中一種靈敏度極高的離-電型器件通常需要用到一層離子凝膠或水凝膠材料，這層離子材料可以和電極之間形成雙電層，從而提供極高的界面電容密度。但是，離子凝膠往往具有毒性，而水凝膠則容易脫水。此外，多層的器件結(jié)構(gòu)難以在皮膚上長期穩(wěn)定貼附，透氣性不好，可能會(huì)帶來皮膚炎癥等問題。因此，在人體表面貼附電子皮膚往往不具有實(shí)用性。
研究團(tuán)隊(duì)提出的“皮膚-電極界面?zhèn)鞲小备拍睿苯佑萌梭w皮膚作為觸覺傳感器的活性材料。人體皮膚是一種天然水凝膠，它能長期保持穩(wěn)定的離子導(dǎo)電性。通常，人體皮膚表面的多孔角質(zhì)層和汗液形成一層天然的含水多孔結(jié)構(gòu)。當(dāng)電極與皮膚接觸時(shí)，電極中的自由電子和皮膚汗液里的離子可形成離-電界面，其電容的大小由電極和皮膚的接觸面積決定。因此，在上述電極中引入微結(jié)構(gòu)，其受壓電極和皮膚之間發(fā)生接觸面積變化，通過測(cè)量電容即可獲取壓力信息。
展開 Ansys Zemax | 如何建模人體皮膚以及光學(xué)心率探測(cè)器
在文章附件的多層皮膚模型中，每一層的散射參數(shù)都是根據(jù)文獻(xiàn)中給出的實(shí)際值設(shè)置的。雖然 Henyey-Greenstein 散射 DLL 的輸入?yún)?shù)是平均路徑、傳輸分?jǐn)?shù)和各向異性參數(shù) g，但在文獻(xiàn)中通常散射和吸收系數(shù)分別定義為 μs 與 μa，與各向異性因子一起展示。因此，我們使用以下公式來計(jì)算模型的輸入?yún)?shù)：
類似地，與之前的折射率、散射和吸收系數(shù)以及不同皮膚層的各向異性因子一樣，為血液和組織其余部分相應(yīng)值的加權(quán)平均值進(jìn)行計(jì)算，以下為對(duì)應(yīng)于 575 nm 應(yīng)用波長的原始數(shù)據(jù)：
多層皮膚模型和組織中的光線傳輸顯示在下面的 3D 布局圖中。為了說明每個(gè)皮層的散射情況，光線在圖上按光線分段著色。
為了提供除顯示圖之外的數(shù)值結(jié)果，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中添加了三個(gè)矩形探測(cè)器。它們與皮膚表面之間被一個(gè)薄薄的空氣間隙隔開（出于非序列模式建模嵌套規(guī)則的考慮）。兩個(gè)探測(cè)器具有與皮膚層相同的截面尺寸，一個(gè)朝向光源，另一個(gè)朝向皮膚模型，以分別測(cè)量所有入射光和背向散射光供后續(xù)參考。第三個(gè)探測(cè)器是一個(gè)同樣面向皮膚的小探測(cè)器 (2mm x 2mm)，代表了 PPG 設(shè)備中的典型光電探測(cè)器。
上述設(shè)計(jì)可以在文章附件 (skinModel.zar) 中找到，當(dāng)測(cè)量/模擬與時(shí)間依賴性不相關(guān)時(shí)，它可以用作現(xiàn)成的皮膚模型。另一方面，對(duì)時(shí)間相關(guān)效應(yīng)建模的方法——例如，在心率傳感器的應(yīng)用情況下——將在下一節(jié)中討論。
模擬心率傳感器
為了模擬心率監(jiān)測(cè)，我們可以使用 ZOS-API 來模擬組織中的脈動(dòng)血流。我們通過調(diào)整皮膚層的血液含量來模擬心臟周期的不同階段，然后我們檢查探測(cè)到的背散射光作為時(shí)間步長的函數(shù)，將各層血液含量的時(shí)間變化通過倍增因子考慮在內(nèi)，假設(shè)血容量在每一層中按比例且同時(shí)變化。
展開 Nature子刊：可拉伸擴(kuò)展的多功能集成電子皮膚！
人體皮膚是活躍、敏感和高彈性的感覺器官，承擔(dān)著保護(hù)身體、排汗、溫度調(diào)節(jié)、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統(tǒng)能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器，將外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，經(jīng)過神經(jīng)通路傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能。基于皮膚這種多功能生物模型，科學(xué)家們開展了一門新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)（俗稱“電子皮膚”，Electronic skin, E-skin），用來模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。
目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測(cè)壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環(huán)境中的各種物理、化學(xué)、生物等信號(hào)，將有助于開發(fā)新型人機(jī)接口、智能機(jī)器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)。此外，電子皮膚的重要發(fā)展趨勢(shì)是多功能化與多重刺激同步監(jiān)測(cè)。
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導(dǎo)下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴(kuò)展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測(cè)能力擴(kuò)展到7種，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、紫外光、磁、應(yīng)變、壓力和接近等多種外界刺激的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。
研究人員通過微納加工技術(shù)，制備出大倍率（8倍及以上，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)）的聚酰亞胺（PI）拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中包括眾多傳感器節(jié)點(diǎn)和蜿蜒拉伸結(jié)構(gòu)。基于這種拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨(dú)立工作而不互相影響。
利用基底的可拉伸性能，可實(shí)現(xiàn)電子皮膚的探測(cè)面積擴(kuò)張，為其進(jìn)一步的功能擴(kuò)展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。
展開 《AM》上交谷國迎：皮膚離子凝膠機(jī)械感受器用于軟機(jī)器、生理傳感和截肢假體
c）由離子水凝膠、導(dǎo)電織物、VHB彈性體和墊片組成的超電容離子凝膠壓力傳感皮膚的設(shè)計(jì)架構(gòu)。
圖4，多重傳感陣列的應(yīng)用。
a) 安裝在人類前臂上的一維觸控條，可以彈奏鋼琴。b) 在旋律播放過程中，觸摸條中七個(gè)通道的電容（ΔC/C0）的相對(duì)變化。c) 4 × 4 像素的 2D 計(jì)算器觸摸屏。d) 16 個(gè)像素的電容分布映射。e) 能夠識(shí)別測(cè)試圖案形狀的 2D 傳感陣列。f) 傳感陣列的電容分布映射。
圖5，柔軟仿生手的超靈敏觸摸皮膚。
a,b) 安裝在柔軟仿生手上的觸摸皮膚的實(shí)時(shí)多通道電容信號(hào)，對(duì)應(yīng)于 a) 輕質(zhì)螺母和 b）羽毛的加載和移除
。
c) 當(dāng)網(wǎng)球在仿生手上滾動(dòng)時(shí)，機(jī)器人皮膚的多通道電容信號(hào)。d) 當(dāng)電容的相應(yīng)變化超過閾值時(shí)，觸摸的單個(gè)手指或多個(gè)手指被編程為彎曲。e) 仿生手固定在工業(yè)機(jī)器人上的實(shí)驗(yàn)裝置照片。f) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中觸摸皮膚的實(shí)時(shí)電容信號(hào)。
圖6，具有觸覺離子凝膠機(jī)械感受器的人在回路機(jī)器人系統(tǒng)。
a) 經(jīng)橈動(dòng)脈截肢者的照片，使用柔軟的假手與觸摸皮膚相結(jié)合，與蛋糕等易碎物體相互作用。b）在沒有觸覺反饋和單級(jí)反饋的情況下操作蛋糕時(shí)感覺假手的壓力響應(yīng)的比較。c) 連續(xù)按壓蛋糕時(shí)的多級(jí)觸覺反饋。d) 展示感覺假手區(qū)分不同形狀物體（成熟番茄、亞急性楊桃和多刺菠蘿）的能力。
【總結(jié)】
作者提出了一種基于軟超電容離子水凝膠的觸覺皮膚，能夠?yàn)榭纱┐麟娮釉O(shè)備和假肢機(jī)器人提供壓力感應(yīng)。該
觸摸皮膚可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的機(jī)器人應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)卓越的傳感性能——包括高靈敏度和分辨率、快速響應(yīng)速度和廣泛的檢測(cè)范圍。
機(jī)器人皮膚可以為工業(yè)機(jī)器人和經(jīng)橈動(dòng)脈截肢者提供實(shí)時(shí)的感官反饋，有利于靈巧的操作和與外部環(huán)境的安全交互。
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如何在 OpticStudio 中建模人體皮膚以及光學(xué)心率探測(cè)器
03
人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質(zhì)中的光傳輸，我們創(chuàng)建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結(jié)構(gòu)。由于此例的主要目標(biāo)是模擬基于 PPG 的心率傳感器，其中關(guān)鍵點(diǎn)是測(cè)量由血液脈動(dòng)引起的變化，因此我們專注于準(zhǔn)確地建模可以觀察到這種脈動(dòng)的皮膚層。因此，我們分別對(duì)不同血含量值的真皮亞層進(jìn)行建模，即真皮乳頭層、毛細(xì)血管下皮層、上層血網(wǎng)真皮層、網(wǎng)狀真皮層和深部血網(wǎng)真皮層。另一方面，由于表皮中沒有血液含量，為了保持模型簡單我們只使用一個(gè)厚表皮層，它包含所有角質(zhì)層、顆粒層、棘層和基底層。最后，與大多數(shù)已發(fā)布的皮膚模型類似，我們也用一層結(jié)構(gòu)表示皮下脂肪。
上述所有皮膚層在 OpticStudio 中都建模為矩形物體，每層的厚度值基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過使得側(cè)面沒有漏光的方式來確定橫截面的尺寸。通過使用上一個(gè)層作為參考對(duì)象并對(duì)上一個(gè)層的 Z 長度單元格中的 Z 位置值應(yīng)用 Pickup 求解來放置后續(xù)層結(jié)構(gòu)。該解決方案確保了各層結(jié)構(gòu)緊貼在一起，之間沒有任何間隙。
自定義組織層結(jié)構(gòu)
由于本案例研究僅依賴于文獻(xiàn)中發(fā)表的數(shù)據(jù)，因此我們?cè)谡麄€(gè)建模過程中并未進(jìn)行任何新的測(cè)量。盡管模型參數(shù)基于已發(fā)布的數(shù)據(jù)，但需要注意的是，人體皮膚的光學(xué)參數(shù)在不同人群中可能存在明顯差異。因此，特定主題可能需要使用不同的參數(shù)。所以，如果您的特定應(yīng)用可以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，請(qǐng)制定相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)模型。
詳細(xì)表示皮膚中的所有每條血管將需要添加數(shù)百個(gè)具有復(fù)雜空間排列的物體，并且會(huì)降低模型的通用性，因此這種類型的建模在文獻(xiàn)中并不進(jìn)行考慮，所以我們也沒有應(yīng)用這種建模方式。相反，我們通過計(jì)算血液和周圍組織結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)的加權(quán)平均值來考慮不同皮膚層的血液含量。
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人體皮膚建模
為了模擬人體組織介質(zhì)中的光傳輸，我們創(chuàng)建了分層皮膚模型，該模型考慮了表皮、真皮和皮下脂肪的組織結(jié)構(gòu)。由于此例的主要目標(biāo)是模擬基于 PPG 的心率傳感器，其中關(guān)鍵點(diǎn)是測(cè)量由血液脈動(dòng)引起的變化，因此我們專注于準(zhǔn)確地建模可以觀察到這種脈動(dòng)的皮膚層。因此，我們分別對(duì)不同血含量值的真皮亞層進(jìn)行建模，即真皮乳頭層、毛細(xì)血管下皮層、上層血網(wǎng)真皮層、網(wǎng)狀真皮層和深部血網(wǎng)真皮層。另一方面，由于表皮中沒有血液含量，為了保持模型簡單我們只使用一個(gè)厚表皮層，它包含所有角質(zhì)層、顆粒層、棘層和基底層。最后，與大多數(shù)已發(fā)布的皮膚模型類似，我們也用一層結(jié)構(gòu)表示皮下脂肪。
上述所有皮膚層在 OpticStudio 中都建模為矩形物體，每層的厚度值基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，通過使得側(cè)面沒有漏光的方式來確定橫截面的尺寸。通過使用上一個(gè)層作為參考對(duì)象并對(duì)上一個(gè)層的 Z 長度單元格中的 Z 位置值應(yīng)用 Pickup 求解來放置后續(xù)層結(jié)構(gòu)。該解決方案確保了各層結(jié)構(gòu)緊貼在一起，之間沒有任何間隙。
自定義組織層結(jié)構(gòu)
由于本案例研究僅依賴于文獻(xiàn)中發(fā)表的數(shù)據(jù)，因此我們?cè)谡麄€(gè)建模過程中并未進(jìn)行任何新的測(cè)量。盡管模型參數(shù)基于已發(fā)布的數(shù)據(jù)，但需要注意的是，人體皮膚的光學(xué)參數(shù)在不同人群中可能存在明顯差異。因此，特定主題可能需要使用不同的參數(shù)。所以，如果您的特定應(yīng)用可以獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，請(qǐng)制定相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)模型。
詳細(xì)表示皮膚中的所有每條血管將需要添加數(shù)百個(gè)具有復(fù)雜空間排列的物體，并且會(huì)降低模型的通用性，因此這種類型的建模在文獻(xiàn)中并不進(jìn)行考慮，所以我們也沒有應(yīng)用這種建模方式。相反，我們通過計(jì)算血液和周圍組織結(jié)構(gòu)的光學(xué)參數(shù)的加權(quán)平均值來考慮不同皮膚層的血液含量。
展開 新型電子皮膚：具有超強(qiáng)的拉伸、感知和自愈能力！
導(dǎo)讀
近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的科研人員開發(fā)出一種導(dǎo)電的水凝膠，它使得電子皮膚的拉伸能力、自愈能力和應(yīng)變靈敏度，達(dá)到了新的極限。
背景
電子皮膚（Electronic skin），是時(shí)下非常熱門的前沿科技領(lǐng)域之一。簡單說，電子皮膚是由輕薄、可彎曲、可拉伸、有彈性的材料制成的柔性電子器件，是傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、新材料技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)相互融合的成果。
電子皮膚可以模仿人類皮膚保護(hù)、感知、自愈等功能，在醫(yī)療、機(jī)器人、人造假肢、可穿戴設(shè)備等諸多領(lǐng)域，都有著很好的應(yīng)用前景。
例如，它可以非常便捷地貼合于人體皮膚表面，感知人體生理信號(hào)（血氧濃度、血液中的酒精濃度等）以及外界環(huán)境刺激（壓力、溫度等）。此外，它還可以做成幫助傷口愈合的生物可降解貼片、可穿戴電子設(shè)備、對(duì)于觸摸敏感的機(jī)器人裝置等等。
之前，筆者介紹過許多有關(guān)電子皮膚的科研創(chuàng)新案例，今天從中精心挑選出三個(gè)經(jīng)典的案例，使大家對(duì)于電子皮膚有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)和初步的了解。
1）美國科羅拉多大學(xué)波爾得分校研究人員開發(fā)出一種新型“電子皮膚”，它具有延展性，可自我修復(fù)，可完全回收。
（圖片來源：Jianliang Xiao / 科羅拉多大學(xué)波爾得分校）
2）美國斯坦福大學(xué)研究人員開發(fā)出的電子皮膚，讓人造假肢和機(jī)器人具有觸覺感知能力。
（圖片來源：斯坦福大學(xué)）
3）中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員研制出一種帶有毛發(fā)的電子皮膚，它可以捕捉到最輕微的風(fēng)。
（圖片來源：美國化學(xué)會(huì)）
創(chuàng)新
今天，讓我們?cè)賮黻P(guān)注一項(xiàng)有關(guān)電子皮膚的科研創(chuàng)新成果。近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的科研人員開發(fā)出一種導(dǎo)電的水凝膠，它使得電子皮膚的拉伸能力、自愈能力和應(yīng)變靈敏度，達(dá)到了新的極限。
展開 科學(xué)家用蛛絲和蠶絲制成人造皮膚
一個(gè)國際科研團(tuán)隊(duì)最近報(bào)告說，他們將蛛絲蛋白與蠶絲蛋白相結(jié)合，制造出一種低成本的生物復(fù)合材料，可作為傷口敷料促進(jìn)愈合，還有望代替天然皮膚用于移植手術(shù)。
這種材料由瑞典皇家理工學(xué)院和印度理工學(xué)院高哈蒂校區(qū)研究人員共同開發(fā)，已在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好效果，即將開展動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。
蛛絲蛋白具有高彈性、高強(qiáng)度和優(yōu)良的生物學(xué)性能。研究人員用轉(zhuǎn)基因手段培育大腸桿菌，生產(chǎn)出重組蛛絲蛋白。這種蛋白結(jié)合了一些人類皮膚里的天然物質(zhì)，如促進(jìn)細(xì)胞結(jié)合的物質(zhì)、生長因子和抗菌蛋白質(zhì)，可以促進(jìn)皮膚細(xì)胞生長。
重組蛛絲蛋白生產(chǎn)成本較高、難以量產(chǎn)，研究人員將它用作涂層，與蠶絲蛋白制成的基底相結(jié)合。蠶絲蛋白沒有生物活性，但可以低成本量產(chǎn)。這樣得到的復(fù)合材料兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，制成片狀可以當(dāng)作敷料，制成多孔海綿狀則可以成為人造皮膚的框架。
研究人員在美國化學(xué)學(xué)會(huì)下屬期刊《應(yīng)用材料與界面》上發(fā)表論文說，他們?cè)隗w外實(shí)驗(yàn)中將這種材料與多種皮膚細(xì)胞共同培養(yǎng)，成功生成類似天然皮膚的層狀組織。
用外來材料促進(jìn)傷口愈合的難點(diǎn)在于，在刺激皮膚細(xì)胞新生的同時(shí)，要防止細(xì)菌感染和有害的免疫反應(yīng)。研究人員說，新材料能使皮膚細(xì)胞按天然方式生長、結(jié)合，并具備抗菌能力。（來源：新華社）
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