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人工皮肤在前期的肢体保护和后期的仿真修复过程中都具有重要的现实意义
www.2229.vip 2020-05-06 23:40

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一间灯光明亮的手术室里,一位穿着电子皮肤的机器人正在有条不紊地做着手术,操作者则是手术室外面的医生,但他可以清楚地感受到病人的每一寸组织的强度。同时,可以将另一块电子皮肤植入病人体内,实时监控患者术后的愈合情况这种只存在于科幻电影中的画面,过不了多久就会演绎在现实世界里。

生命体总能进化出各种复杂、精细的结构来实现特定的功能,皮肤就是这类杰作中的代表之一,它不仅是人体的天然屏障,也是感知外界环境变化的门户。

近日,中科院半导体所研究员沈国震课题组与中国人民解放军总医院姜凯教授合作,成功研制出一种基于石墨烯材料的新型柔性触觉传感器,实现了类似人体皮肤功能,可快速感知微小压力变化,从而构筑了具有高灵敏度和高稳定性的人造仿生电子皮肤。该类器件在消费电子、军事、医疗健康等领域具有极大的应用潜力。

但在生活中,人体不可避免地会受到外伤进而在不同程度上损坏皮肤,因此,人工皮肤在前期的肢体保护和后期的仿真修复过程中都具有重要的现实意义。

可以感受到一根羽毛的重量

电子皮肤是一种模仿人体皮肤功能的人工皮肤。近日,国际著名期刊Advanced Science报道了中国团队研发的一种制备简单、可设计性强的皮革基底上的电子皮肤,它结合了皮革天然的复杂结构、穿戴的舒适性和纳米材料的多功能特性,使死皮重新具有感应能力。

电子皮肤即新型可穿戴柔性仿生触觉传感器,是一种用于实现仿人类触觉感知功能的人造柔性电子器件。

中国科学院院士、西北工业大学常务副校长黄维,南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院)副院长霍峰蔚和四川大学制革清洁技术国家工程实验室副研究员黄鑫为这篇研究论文的共同通讯作者。

它能够像人体皮肤一样具有柔韧性,可以任意弯曲与变形,能够实现仿人类触觉感知的功能。中国科学院半导体所超晶格国家重点实验室研究员沈国震近日在接受《中国科学报》记者采访时表示。即便是对轻如一根羽毛,小至一粒大米的物体停留在其表面所造成的触觉,也能够清晰地感知出来,而且感应速度极快。

《中国科学报》在采访中获悉,这种基于皮革的电子皮肤可应用于柔性压力传感器、信息显示器件和用户交互器件等,为开发具有模仿甚至超越真皮功能的多功能电子皮肤提供了新契机。

据介绍,人类皮肤的感触响应时间为30-50 毫秒,该器件灵敏度高达15.6kPa-1,具有十分优异的传感性能,其响应时间仅需5毫秒,并能够循环工作10万次以上。从这些数据上看,电子皮肤的感觉一点都不比人类的差。

让皮革有触觉

其实,相对于听觉、视觉而言,触觉感官的模仿十分困难。沈国震坦言,因为模拟触摸感觉需要发展高空间分辨率、高灵敏度、快速响应和大尺寸的压力传感器阵列,并且为了模仿自然皮肤的触觉感知特性,必须发展大面积柔性高像素力传感器阵列。

柔韧性是电子皮肤模拟人体皮肤的关键因素。但如何将接近人体皮肤的柔性材料变身为有触觉的电子皮肤,一直是国际科学技术前沿领域攻关的世界性难题。

目前,科学家使用的纳米材料虽然取得了一定突破,但石墨烯具有优越的力学、电学、光学等性质,使得他们不禁想要尝试这二维明星碳纳米材料。

黄维告诉《中国科学报》,此前,美国斯坦福大学教授鲍哲南院士的研究团队就通过引入微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,使获得的电子皮肤具有前所未有的灵敏度和快速的响应时间。然而,虽然PDMS有良好的生物相容性,但却具有不透气的缺点,因此不适合长时间穿戴。

明星材料石墨烯

从动物皮肤获得的传统天然材料皮革,拥有皮肤的复杂结构,成为电子皮肤的首选材料。美国西北大学罗杰斯和黄永刚两位院士领导的生物集成电子中心研究团队就使用PDMS作为黏合剂,将硅器件黏合在皮革上,但该团队仅将皮革作为简单的基底处理,却忽略了皮革结构和性能的优点。

石墨烯材料与可穿戴仪器最近两年很火,火到我们不由自主的想要把两者结合起来,结果,显而易见,效果非常好。沈国震特别强调了石墨烯。

通过传统的鞣制工艺,可以使皮革恢复类似皮肤的柔性,但皮革的重要的感知能力仍未被真正开发。黄维表示,皮革作为一种舒适的穿戴材料,继承了皮肤的精细结构,为提高器件性能和担载其他功能材料提供了结构和功能保障,具有制备高性能电子皮肤的潜能。

石墨烯制备方法丰富,具有广阔的结构性能调控空间,研究其结构与性能之间的关联,对于发展和推动基于纳米材料的新型柔性触觉传感,具有重大的现实意义。然而传统的石墨烯由于其良好的导电性,将其应用在压阻型柔性压力传感器中时,器件对压力的电学性能变化并不明显。

将皮革与多样化、功能化的纳米材料相结合,可以使这一死了的皮肤起死回生。黄维表示,该团队将皮革与不同种类的功能性纳米材料(如酸化碳纳米管、银纳米线等)结合在一起,重新赋予皮革感应能力。

为了解决这一问题,我们将石墨烯与聚偏氟乙烯纳米纤维进行复合形成的三维网络,使得器件电学性能可调性增强,更适于应用在仿生电子皮肤领域。沈国震介绍说。石墨烯与一维纳米纤维构成的三维网状结构,更有利于器件感受到微小压力的变化。经过测试发现器件对一粒大米甚至是一根小小的羽毛都有明显的响应,且远小于人类皮肤对物体的响应时间。

在制备过程中,最首要的条件是调控皮革的导电性。霍峰蔚向《中国科学报》介绍,电子皮肤的主要功能就是在感知外部环境的刺激后,能够将刺激转换为模拟电子信号,其方式类似于真实皮肤中感觉神经的作用。

沈国震课题组虽然从事柔性电子学研究多年,但初入电子皮肤领域时,还是遇到了很多问题。

另外,功能材料用量不同,皮革的导电率也会随之变化。因此,通过调整功能材料的用量,还可以赋予皮革不同的功能,有目的地获得具有各种功能的电子皮肤。

比如在研究基于石墨烯材料电子皮肤与健康监测方面的应用时,需要测试传感器件在几万次循环工作后的传感性能是否有变化以及传感器在不同频率压力下的响应,但是实验室中又缺少相关的专业设备来测试,使得整个实验无法顺利进行。沈国震坦言。

霍峰蔚表示,由于皮革具有多层级结构、多孔性以及丰富的官能团,因此,皮革与酸化碳纳米管之间还存在物理和化学作用,使得酸化碳纳米管在皮革中具有良好的渗透性。

当科研人员正在苦闷的时候,他们看到课题组几位做柔性光电探测方向的研究人员常常利用斩波器来测试不同频率下的光响应,盯着转速可调的斩波器,他们灵光一现想到如果将砝码与斩波器相连,利用斩波器的转动就有可能为器件提供长期稳定不同频率的压强。经过一番努力,课题组终于完成了器件在10万次以上循环的测试,获得了能够长期稳定工作的器件。

该电子皮肤的制备过程简单、通用且可与传统的皮革工艺结合,从而有利于低成本的大规模生产。黄鑫表示,通过将传统皮革制造与新兴纳米材料相结合,可在提高皮革附加值的同时有助于开发新型的可穿戴多功能电子皮肤。

内外皆研究但尚需时日

将释放出更多功能

目前这种仿生电子皮肤已经被尝试应用在医学领域,用来实现对脉搏跳动、语音识别等人体生理信号的实时快速检测。中国人民解放军总医院教授姜凯告诉记者。

基于导电皮革,该交叉学科创新团队设计出一种可穿戴的高灵敏度压力传感器。霍峰蔚表示,将一片导电皮革和另一片具有叉指电极的皮革缝合,就可以制造出柔性且可穿戴的压力传感器。该压力传感器的传感机制是,利用外部压力刺激改变叉指电极与皮革中导电纳米材料的接触,从而获得与外部压力变化相对应的电流或电压信号,实现监测。

例如,通过对人体说话时的喉部肌肉群运动产生的微弱压力变化以及通过对脉搏变化的分析,可以初步实现语音识别与人体不同生理状态的准确检测,有望在语音辅助输出系统、人体健康评价和疾病前期诊断方面获得广泛应用。

研究显示,压力传感器可迅捷地响应32.5毫克轻微羽毛的碰触,且响应时间仅40毫秒,具有快速响应的特点。基于皮革的电子皮肤表现出的这种对轻触的高灵敏感知,与真实皮肤的压力感应行为十分类似。由于皮革具有与生俱来的可穿戴性和可裁剪性,该器件还可以被制造成不同的形状,如腕带等。

新型可穿戴柔性仿生触觉传感器的出现,为虚拟现实系统提供了一种全新的交互手段,不仅更加符合人类对于细微虚拟现实场景中的操作习惯,同时也更好的适应了人类较为敏感的外部神经,以达到更好地体验感和交互性,是一种非常接近真实自然的三维交互手段。

除此之外,霍峰蔚介绍,将皮革独特的多层级结构与纳米材料的优异性能相结合,制备出的皮革电子皮肤可用于持续监测手腕脉搏。

人造仿生电子皮肤作为可穿戴设备的一种,其研究和开发受到了来自不同学科研究人员的重视。

手腕脉搏是动脉血压和心率的重要指标,也为医学诊断提供了大量有价值的信息。例如,一些心血管疾病在初始阶段并无症状,但可出现病理性脉搏。因此,通过腕脉连续监测人体动脉血压可以为疾病的诊断提供快速、无创的方法。

据介绍,中科院苏州纳米所张珽课题组,利用单臂碳纳米管(SWNT)作为电极在丝绸上固化形成的PDMS薄膜制作了柔性高灵敏度电阻式压力传感器,以及浙江大学董树荣老师课题组在高分辨率多感觉电子皮肤的研究上都取得了突破。

基于皮革的压力传感器表带可以精确地读出健康人的手腕脉冲,还可以清楚地收集手腕脉冲的典型特征,包括冲击波、潮汐波、舒张波等。这意味着,这种压力传感器可以识别手腕脉冲中微小的差异,有望用于医学监测。此外,基于皮革的压力传感器表带适合长期佩戴,不会像传统聚合物基底那样引起不适。

而美日德中韩等国研究人员也都各自开发出了触感细微的电子皮肤,并解决了其互动性、延展性等技术难题。

这表明通过合理的设计,基于皮革的电子皮肤可以重新具有感知能力。霍峰蔚说。导电皮革还可被用作显示器件的背电极,显著促进信息的可视化,有利于改善人们的交流沟通和生活方式。另外,基于皮革的显示器还可为用户交互式电子皮肤提供即时的视觉响应。

例如美国德克萨斯大学和韩国首尔大学的研究团队开发出了一种仅有3微米厚度的电子皮肤,贴在手上看起来会有点像纹身一样。

替代人体皮肤任重道远

美国斯坦福大学女科学家鲍哲南团队为人造电子皮肤增加了透明和可拉伸的功能。该团队还正在研制可以感知温度、痛觉并且具备良好自愈能力的电子皮肤,当其受到损伤后,几秒内强度和导电性就能恢复到原来的75%,30分钟后几乎就恢复如初。如果应用到手机屏幕上,或许人们就会拥有一个屏幕摔碎也能神奇恢复的手机。

目前,黄维团队研发的皮革电子皮肤还不能直接用于修复受损的人体皮肤,黄维坦言,人体皮肤是生命体经过千万年的进化而来,它具有复杂的组成和结构,目前的科技很难实现复原和替代。

随着尖端材料科学研究的深入,石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等特殊材料因其超轻薄、韧性强、电阻率小等优良特性,被认定为电子皮肤的优良基底。

霍峰蔚也表示,目前,该团队的研究使皮革具有了初步的压力感知功能,虽然引入发光材料实现了人类皮肤不具有的发光和显示功能,但是要想达到和超越皮肤一样的多种感知能力,还有很长的路要走。

人造仿生电子皮肤未来除了进一步提高其性能,解决其压力传感器阵列缺乏柔弹性、新型传感单元难于阵列化形成电子皮肤以及制作工艺复杂、成本高等缺点外,人造仿生电子皮肤的发展趋势主要集中在医疗、人工智能以及虚拟现实等领域。

要制造可代替人体皮肤的电子皮肤,还需要多学科交叉和协同创新,如材料科学、化学制造、生命科学、电子科学和健康科技等。特别是,还需依靠新型智能材料的研究以及先进制造技术的发展。霍峰蔚说。

在医疗上,对于许多烧伤烫伤的患者、截肢患者以及整容者来说,人造皮肤拥有触觉可以给他们带来很大的益处。姜凯介绍。

目前,我们研发的皮革电子皮肤可以作为传感器或者假肢材料实现对外界压力刺激的感知。霍峰蔚表示,在未来的医疗领域,皮革电子皮肤还可作为穿戴类的电子设备等,实现医疗大数据的采集,同时也有望作为假肢材料帮助受损部位实现部分感知功能。生命体总能进化出各种复杂、精细的结构来实现特定的功能,皮肤就是这类杰作中的代表之一,它不仅是人体的天然屏障,也是感知外界环境变化的门户。

科研人员认为,除了医疗方面的使用,电子皮肤在机器人设计,可穿戴设备和人工智能方面等领域均能够大展身手,将电子皮肤与之相结合是未来人工智能机器人重要的发展方向。

但在生活中,人体不可避免地会受到外伤进而在不同程度上损坏皮肤,因此,人工皮肤在前期的肢体保护和后期的仿真修复过程中都具有重要的现实意义。

日本福岛地震后,由于辐射严重已不适宜人类工作,日本政府委托本田公司为已有的ASIMO机器人研制电子皮肤,以使其能够更好地感知周围环境,工作于大地震后核辐射最严重的区域。沈国震告诉记者。

电子皮肤是一种模仿人体皮肤功能的人工皮肤。近日,国际著名期刊Advanced Science报道了中国团队研发的一种制备简单、可设计性强的皮革基底上的电子皮肤,它结合了皮革天然的复杂结构、穿戴的舒适性和纳米材料的多功能特性,使死皮重新具有感应能力。

由此可见,仿生电子皮肤在消费电子、军事、医疗健康乃至更为科幻的机器人仿人体皮肤等领域,都将为人类科技带来革命性的突破。

中国科学院院士、西北工业大学常务副校长黄维,南京工业大学海外人才缓冲基地(先进材料研究院)副院长霍峰蔚和四川大学制革清洁技术国家工程实验室副研究员黄鑫为这篇研究论文的共同通讯作者。

不过,目前人造皮肤主要用于医疗方面,并且成本较高,所以将其应用在人工智能与虚拟现实等领域设想的实现尚需时日。沈国震坦言。

《中国科学报》在采访中获悉,这种基于皮革的电子皮肤可应用于柔性压力传感器、信息显示器件和用户交互器件等,为开发具有模仿甚至超越真皮功能的多功能电子皮肤提供了新契机。

让皮革有触觉

柔韧性是电子皮肤模拟人体皮肤的关键因素。但如何将接近人体皮肤的柔性材料变身为有触觉的电子皮肤,一直是国际科学技术前沿领域攻关的世界性难题。

黄维告诉《中国科学报》,此前,美国斯坦福大学教授鲍哲南院士的研究团队就通过引入微结构聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,使获得的电子皮肤具有前所未有的灵敏度和快速的响应时间。然而,虽然PDMS有良好的生物相容性,但却具有不透气的缺点,因此不适合长时间穿戴。

从动物皮肤获得的传统天然材料皮革,拥有皮肤的复杂结构,成为电子皮肤的首选材料。美国西北大学罗杰斯和黄永刚两位院士领导的生物集成电子中心研究团队就使用PDMS作为黏合剂,将硅器件黏合在皮革上,但该团队仅将皮革作为简单的基底处理,却忽略了皮革结构和性能的优点。

通过传统的鞣制工艺,可以使皮革恢复类似皮肤的柔性,但皮革的重要的感知能力仍未被真正开发。黄维表示,皮革作为一种舒适的穿戴材料,继承了皮肤的精细结构,为提高器件性能和担载其他功能材料提供了结构和功能保障,具有制备高性能电子皮肤的潜能。

将皮革与多样化、功能化的纳米材料相结合,可以使这一死了的皮肤起死回生。黄维表示,该团队将皮革与不同种类的功能性纳米材料(如酸化碳纳米管、银纳米线等)结合在一起,重新赋予皮革感应能力。

在制备过程中,最首要的条件是调控皮革的导电性。霍峰蔚向《中国科学报》介绍,电子皮肤的主要功能就是在感知外部环境的刺激后,能够将刺激转换为模拟电子信号,其方式类似于真实皮肤中感觉神经的作用。

另外,功能材料用量不同,皮革的导电率也会随之变化。因此,通过调整功能材料的用量,还可以赋予皮革不同的功能,有目的地获得具有各种功能的电子皮肤。

霍峰蔚表示,由于皮革具有多层级结构、多孔性以及丰富的官能团,因此,皮革与酸化碳纳米管之间还存在物理和化学作用,使得酸化碳纳米管在皮革中具有良好的渗透性。

该电子皮肤的制备过程简单、通用且可与传统的皮革工艺结合,从而有利于低成本的大规模生产。黄鑫表示,通过将传统皮革制造与新兴纳米材料相结合,可在提高皮革附加值的同时有助于开发新型的可穿戴多功能电子皮肤。

将释放出更多功能

基于导电皮革,该交叉学科创新团队设计出一种可穿戴的高灵敏度压力传感器。霍峰蔚表示,将一片导电皮革和另一片具有叉指电极的皮革缝合,就可以制造出柔性且可穿戴的压力传感器。该压力传感器的传感机制是,利用外部压力刺激改变叉指电极与皮革中导电纳米材料的接触,从而获得与外部压力变化相对应的电流或电压信号,实现监测。

研究显示,压力传感器可迅捷地响应32.5毫克轻微羽毛的碰触,且响应时间仅40毫秒,具有快速响应的特点。基于皮革的电子皮肤表现出的这种对轻触的高灵敏感知,与真实皮肤的压力感应行为十分类似。由于皮革具有与生俱来的可穿戴性和可裁剪性,该器件还可以被制造成不同的形状,如腕带等。

除此之外,霍峰蔚介绍,将皮革独特的多层级结构与纳米材料的优异性能相结合,制备出的皮革电子皮肤可用于持续监测手腕脉搏。

手腕脉搏是动脉血压和心率的重要指标,也为医学诊断提供了大量有价值的信息。例如,一些心血管疾病在初始阶段并无症状,但可出现病理性脉搏。因此,通过腕脉连续监测人体动脉血压可以为疾病的诊断提供快速、无创的方法。

基于皮革的压力传感器表带可以精确地读出健康人的手腕脉冲,还可以清楚地收集手腕脉冲的典型特征,包括冲击波、潮汐波、舒张波等。这意味着,这种压力传感器可以识别手腕脉冲中微小的差异,有望用于医学监测。此外,基于皮革的压力传感器表带适合长期佩戴,不会像传统聚合物基底那样引起不适。

这表明通过合理的设计,基于皮革的电子皮肤可以重新具有感知能力。霍峰蔚说。导电皮革还可被用作显示器件的背电极,显著促进信息的可视化,有利于改善人们的交流沟通和生活方式。另外,基于皮革的显示器还可为用户交互式电子皮肤提供即时的视觉响应。

替代人体皮肤任重道远

目前,黄维团队研发的皮革电子皮肤还不能直接用于修复受损的人体皮肤,黄维坦言,人体皮肤是生命体经过千万年的进化而来,它具有复杂的组成和结构,目前的科技很难实现复原和替代。

霍峰蔚也表示,目前,该团队的研究使皮革具有了初步的压力感知功能,虽然引入发光材料实现了人类皮肤不具有的发光和显示功能,但是要想达到和超越皮肤一样的多种感知能力,还有很长的路要走。

要制造可代替人体皮肤的电子皮肤,还需要多学科交叉和协同创新,如材料科学、化学制造、生命科学、电子科学和健康科技等。特别是,还需依靠新型智能材料的研究以及先进制造技术的发展。霍峰蔚说。

目前,我们研发的皮革电子皮肤可以作为传感器或者假肢材料实现对外界压力刺激的感知。霍峰蔚表示,在未来的医疗领域,皮革电子皮肤还可作为穿戴类的电子设备等,实现医疗大数据的采集,同时也有望作为假肢材料帮助受损部位实现部分感知功能。