电子皮肤与主体交互加深,有望成为取代智能手表的可穿戴设备

摘要: 作为一种可以覆盖甚至嵌入人体的技术,电子皮肤在未来或能取代可穿戴设备。

近日,日本东京大学的研究人员研制出一种新型的电子皮肤。这种新型电子皮肤的厚度只有3微米,与人类皮肤能够达到近乎完美的融合。此外,研究人员在电子皮肤中加入了一种有机高分子发光二极管(PLED),使得这种超薄的电子皮肤转化为“电子显示屏”,并让它看起来像一个纹身。

尽管这种新型皮肤目前只能测出用户的血液氧浓度,不过,研究人员正在进行下一步研发,他们希望这款皮肤在未来可以实现让用户得知自己的健康数据,让工人查看图表等功能。届时,电子皮肤这种无缝穿戴技术就可替代当前的智能手表等可穿戴技术了。

电子皮肤是一项颇为有趣而且重要的技术,在医疗、科技、智能等领域都有不少用途。可以说,电子皮肤的潜力极大。不过,目前这项技术仍处于初级的试验阶段,尚不能实现大规模应用。

电子皮肤在医学领域作用重大,皮肤移植、制作假肢都需要

电子皮肤,是一种可以让机器人产生触觉的系统。其结构简单,可被加工成各种形状。能像衣服一样附着在设备表面,能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。电子皮肤能够模拟、还原甚至取代机体皮肤。正因为这些特性,电子皮肤在诸多领域都发挥着重要的作用。

首先想到的就是医疗方面。因为人体的皮肤一旦损坏便不可修复。在古时的亚洲和欧洲,有“割肉补疮”的方法来修复皮肤损伤,并持续了2500年左右。但是,当年的医疗和麻醉水平都极为落后,对于患者来说,无异于在接受一种酷刑。

直到19世纪末。植皮手术出现。然而,这种手术的方法是切取患者自身或其他人的皮肤进行移植修复。不仅会产生剧烈的疼痛,更会给患者的身心带来双重的创伤。另外,移植后的皮肤脆弱异常,并容易引发触觉减弱、免疫力下降等一系列后遗症。

然而,需要接受这种手术的人并不在少数。据统计,全世界每年需要接受皮肤移植的患者人数在20万左右,而存在不可恢复性皮肤创伤并尚未接受植皮手术的患者数量更是超过了400万。由此看来,电子皮肤对于医疗领域的重要性不言而喻。

在各国研究人员的努力下,超仿真电子皮肤正在逐渐得以发展。早在2003年,东京大学的研究团队就已利用并五苯这种低分子有机物制成薄膜,并在其中密布压力传感器,使电子皮肤拥有了感知压力的功能。

两年之后,这一团队又在电子皮肤中分别嵌入了两组能够感知压力和温度的晶体管,在晶体管电线交叉点使用微传感器记录电流的起伏状况,由此可以判断出日常温度和感知到超过300g/c㎡的压力。最棒的是,这种电子皮肤的成本极为廉价,是100日元/㎡(约合1美元)。

无独有偶,美国加州大学伯克利分校的研究团队设计出了由聚合树脂和敏感橡胶覆盖锗硅混合纳米线制成的电子皮肤。这种皮肤更为敏感,可感知50g以下的细微压力。

英国剑桥大学的研究人员则尝试着将能够随意拉伸变形的电路移植到透明的弹性硅胶上,希望赋予电子皮肤更多类似于人类皮肤的物理特性。这种皮肤能够包裹四肢和手臂,并有望应用在皮肤移植方面。

此外,电子皮肤还可被用于假肢的制作。应用了电子皮肤的义肢能够与人类的真实肢体更加接近,让患者有更多复杂的知觉。可以说,电子皮肤为患者带去了福音。

电子皮肤为智能领域带去革命,未来或取代可穿戴设备

除了医疗领域外,电子皮肤将为智能机器人领域带去一场革命。目前的机器人不仅能够实现简单的动作,甚至能够替代人类做一些工作。然而,皮肤恰恰是在机器人技术的研发中最不易被注意的部分。因此,机器人往往难以感知复杂的三维触觉力度,不能体会拿起乒乓球与苹果所需力量的差异。

对于这一难点,电子皮肤则可以很好地进行解决。电子皮肤拥有良好的压敏特性及柔韧性,既能够赋予机器人敏感的触觉,又能改善其机械笨重的动作,增强机器人的灵活性。

当前,可穿戴设备极为火热,在这一领域中,电子皮肤也有机会大显身手。比如可以将电子皮肤与智能手表及腕带相结合,只需将电子皮肤输出的电学图形信号稍作分析,就可实现“智能把脉”。科学家们还设想可以在设备中植入电子皮肤用以监测咽喉部位的肌肉运动产生的微弱压力,从而将变压信号转化为语音,让聋哑人拥有“传声筒”。

日本此次研发的PLED电子皮肤则能够进一步实现可穿戴设备的功能。当感知到电脉冲时,其上的灯可以通过PLED的不同排列显示出更加复杂的信息,如字母或数字。这款电子皮肤外面有钝化层的保护,能够使电子皮肤免受氧气和水蒸汽的入侵,延长发光时间。同时,它比同类产品产生更少的热量并消耗更少的电量。

随着对电子皮肤研究的进一步深入,拥有更强韧性和更小电阻率的石墨烯、碳纳米等更多的尖端材料被发现能够应用于电子皮肤中。我国的研究人员就使用碳纳米管传感器制成了高灵敏度的电子皮肤,它甚至连20毫克重的蚂蚁都能够感受得到。

作为一种可以覆盖甚至嵌入人体的技术,电子皮肤在未来或能取代可穿戴设备。到时候患者不需再佩戴着繁多的监测设备来跟踪血压、心率等一系列指标,一块电子皮肤就能统统搞定。

  要实现上述功能,就要求电子皮肤与人类及机器都能够很好的交互。那么,这种交互具体是如何加深的?处于初级阶段的电子皮肤又将如何发展呢?

电子皮肤与应用主体交互逐渐加深,但仍处于初级阶段

皮肤,是人类与大脑联系的媒介。人类的皮肤极为灵敏,通过感知将信号传输给大脑,有助于我们更好地了解世界。

但是对于机器人来说,要做到这一点是非常艰难的。过去数十年间,科学家们一直致力于让机器人更加接近人类。开始的时候,它们最多只能拥有一种类型的感知。研究人员试图将多种感受系统进行整合,但结果并不理想。

之后,《科学杂志》上的一篇文章使韩国的科学家们得到了启发。这篇文章的大意是说指纹是皮肤上最为敏感的部分,其中真皮层与表皮层的连结,使皮肤产生了更多的接触点。因此,他们研究出了有隆起线条并夹杂着两层薄膜的人造皮肤。这种皮肤甚至可以感知到一根头发的存在,还能辨别浓密的胡子与轻微的胡茬之间的区别。

再后来,各种高精尖技术被加入到电子皮肤中。从上文的例子就可以看出,电子皮肤技术已经发展到一个相当不错的阶段了,电子皮肤与人类及机器等应用主体的交互也逐渐加深。

尽管电子皮肤在技术方面有很大的突破,然而,这一领域却仍处于初级阶段。新加坡材料与工程研究所的皮肤研究人员本杰明·提表示:“我们现在处于非常初期的阶段,电子皮肤的现状就像北大荒一样”。科学家们还在不断拓荒,新想法不断产生,就看哪个有像样的规格能够进行大批量且低成本的生产了。

从技术上看,电子皮肤已经超出了皮肤本身的属性,为皮肤移植、制造义肢、机器人研发、可穿戴设备等多个领域搭建了桥梁。不过,电子皮肤在技术上仍有需要改进的地方。例如将电子皮肤移植到人体之前,要考虑皮肤内部的生理功能和结构。电子皮肤与人体中正常的淋巴、肌肉等达到和谐,并接受神经系统精准的传输,要实现这些都需要进一步的努力。

电子皮肤是个神奇的发明,在诸多重要领域发挥着重要的作用。但是就目前的情况来看,由于技术上尚处初级阶段,电子皮肤还不能够实现量产,亦无法真正投入使用。想要体验到这种新型技术,尚需时日。(本文首发钛媒体)

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评论(1

  • 天远 天远 2016-04-24 09:13 via android

    科技发展的结果。

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Oh! no

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