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斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出一種柔軟且可拉伸的電子皮膚，可以直接與大腦對(duì)話，使用一種策略模仿真實(shí)皮膚的感官反饋，如果得到改進(jìn)，可以為數(shù)百萬擁有假肢的人帶來希望。

“我們受到自然系統(tǒng)的啟發(fā)，并想模仿它，”王維辰說，他的團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的成功?！耙苍S有一天我們可以幫助患者不僅恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，還可以恢復(fù)他們的感覺。”

在所謂的“電子皮膚”為人們帶來希望之前，需要更快、更大和更復(fù)雜的電路。

【資料圖】

但是，在一個(gè)里程碑中，該設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室老鼠身上取得了非凡的成功。當(dāng)研究人員按下老鼠的電子皮膚并向它的大腦發(fā)送電子脈沖時(shí)，這只動(dòng)物通過抽動(dòng)它的腿做出反應(yīng)。

長期以來，科學(xué)家們一直夢(mèng)想制造出不僅可以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)，還可以提供感知(例如，感應(yīng)壓力、溫度和振動(dòng))的假肢，以幫助恢復(fù)更正常的生活質(zhì)量。皮膚損傷和截肢會(huì)對(duì)感知和運(yùn)動(dòng)循環(huán)造成巨大破壞，因此即使是簡單的任務(wù)，如感覺或抓住物體也具有挑戰(zhàn)性。

波士頓東北大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授RavinderDahiya說：“如果你拿起一杯啤酒，卻感覺不到它不冷，那么你就不會(huì)嘗到正確的味道?！毖芯渴褂萌嵝噪娮釉O(shè)備開發(fā)人造皮膚。

電子皮膚也可用于包裹機(jī)器人，使它們能夠像人類一樣感受感覺。這對(duì)于機(jī)器人和人類進(jìn)行物理交互的行業(yè)的安全至關(guān)重要，例如在制造車間傳遞工具。

但是觸覺是復(fù)雜的。人體皮膚有數(shù)百萬個(gè)感受器，當(dāng)它們被戳、壓、擠或燙時(shí)，它們就會(huì)感覺到。它們通過神經(jīng)向大腦發(fā)送電脈沖來做出反應(yīng)。大腦通過發(fā)回信息來做出反應(yīng)，告訴肌肉運(yùn)動(dòng)。

生物皮膚柔軟，可以反復(fù)拉伸數(shù)十年。

由化學(xué)工程教授ZhenanBao領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于電子皮膚設(shè)計(jì)。但早期的嘗試使用了剛性電子設(shè)備和30伏電源，這需要10塊電池并且不安全。而且它無法在不失去其電氣特性的情況下承受連續(xù)拉伸。

Bao在一份聲明中說：“障礙不在于找到模仿人類觸覺非凡感官能力的機(jī)制，而是僅使用類似皮膚的材料將它們結(jié)合在一起?！?/p>

新的電子皮膚具有創(chuàng)新性，因?yàn)樗褂每筛兄蛡鬏旊娦盘?hào)的可伸縮有機(jī)晶體管網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)夾在中間時(shí)，這些層只有大約25到50微米厚——像一張紙一樣薄，類似于皮膚。

它的網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)傳感器，設(shè)計(jì)用于感測壓力、溫度、應(yīng)變和化學(xué)物質(zhì)。他們將這種感官信息轉(zhuǎn)化為電脈沖。

而且電子皮膚僅需5伏的電力即可運(yùn)行。

為了測試該系統(tǒng)，斯坦福團(tuán)隊(duì)將其植入活老鼠體內(nèi)。當(dāng)老鼠的電子皮膚被觸摸時(shí)，一個(gè)脈沖通過電線傳輸?shù)嚼鲜蟮拇竽X——具體來說，是一個(gè)叫做體感皮層的區(qū)域，它負(fù)責(zé)處理身體感覺。

老鼠的大腦通過向它的腿發(fā)送電信號(hào)來做出反應(yīng)。這是使用一種設(shè)備完成的，該設(shè)備可以放大信號(hào)并將其從大腦傳輸?shù)郊∪?，模擬神經(jīng)系統(tǒng)中稱為突觸的連接。

老鼠的腿抽搐了一下。工程博士王說，值得注意的是，它的運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于不同程度的壓力。和新論文的第一作者。例如，該團(tuán)隊(duì)可以通過用力推動(dòng)電子皮膚來增加腿部的運(yùn)動(dòng)，從而提高信號(hào)頻率和晶體管輸出。

如果在人體中進(jìn)行測試，該設(shè)備將不需要植入電線來向大腦發(fā)送感官信息。相反，該團(tuán)隊(duì)設(shè)想在電子皮膚和位于神經(jīng)旁邊的電刺激器之間使用無線通信。

美國矯形和假肢協(xié)會(huì)的JoeMcTernan表示，此類研究鼓勵(lì)技術(shù)進(jìn)步，有朝一日可以為失去四肢的人提供實(shí)時(shí)生物反饋。

“雖然這種皮膚技術(shù)相當(dāng)新，但近年來已經(jīng)進(jìn)行了大量研究和開發(fā)，重點(diǎn)是為患者創(chuàng)造積極的觸覺體驗(yàn)，”他說。

劍橋大學(xué)的生物電子學(xué)專家AlejandroCarnicer-Lombarte告訴《自然》雜志，斯坦福團(tuán)隊(duì)的閉環(huán)系統(tǒng)——從感覺到肌肉運(yùn)動(dòng)——“非常令人興奮……在很大程度上證明了概念”。

他說，在人工假肢領(lǐng)域，大多數(shù)研究人員傾向于研究單個(gè)組件?！鞍错樞蚪M合這些東西并不簡單。”

Dahiya對(duì)該團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建柔性電子產(chǎn)品并使其發(fā)揮作用方面取得的成功表示贊賞?！斑@就是他們做得很好的地方，”他說。

但他說，仍然缺少一塊拼圖：創(chuàng)造記憶。與斯坦福大學(xué)的電子皮膚不同，人類皮膚了解物體的感覺，然后可以預(yù)測它。

還有另一個(gè)挑戰(zhàn)：信號(hào)的傳輸目前太慢而無法使用。他說，與更傳統(tǒng)的硅基晶體管相比，通過該團(tuán)隊(duì)的柔性碳基晶體管的信息流緩慢。

達(dá)希亞說，這樣的延遲“不會(huì)讓我們得到真正的感受”?！叭绻麤]有真正的感覺，那么你就會(huì)遇到實(shí)際瓶頸?！?/p>

在斯坦福大學(xué)，下一步是將更多不同的傳感器裝入電子皮膚，以更接近地復(fù)制人手感受到的許多感覺，Wang說。

“我們正在擴(kuò)大規(guī)模，”他說?！八鼤?huì)更先進(jìn)。

“整個(gè)領(lǐng)域都在開發(fā)中，”他說?！耙獙?shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)，還需要更多代的發(fā)展。”