鲍哲南Nature子刊经典综述：义肢用电子皮肤的探索

【引言】

皮肤是我们与外界接触的主要媒介，也是人类身体上不可或缺的重要组成部分。利用电子器件重塑皮肤性能在义肢制造和医疗领域也展现出重大意义。近年来，对人造皮肤的探求推动了模仿皮肤独特性质的材料的探索与创新，其中不乏对机械稳定性和延展性、生物降解能力和大面积复杂感应能力的研究。为实现机械性能优异的多功能类皮肤电子器件，并改善脑/机接口以实现皮肤感应信号到人体内部的传输，研究者们正致力于开发新材料及制备集成技术。

斯坦福大学鲍哲南教授（通讯作者）等人在Nature Materials上发表的题为“Pursuing prosthetic electronic skin”的综述系统介绍了用于模仿皮肤感知和产生仿生信号的材料选择与电子器件的设计进展。该综述通过对真实皮肤的感官和传感机制的研究、柔性仿皮肤材料的机械性能、如何塑造皮肤感知功能、感知信号编码处理和中枢神经感知机制等方面介绍了实现人造电子皮肤所面临的问题与攻克方法。

综述总览图

一. 仿生学灵感

为重建接触自然感知，理解和模仿生物皮肤中影响感知性能的关键因素尤为重要。人体皮肤中的感应接收器主要为以下七种：疼痛感受器、冷感受器、暖感受器和四种机械刺激感受器。皮肤中的接收器可以记录时间与电压峰值的关系，即动作电位，使人体可以感知不同的温度。而四种机械感受器可以在不同时间尺度和空间尺度测量作用力，其中慢适应受体(SA-I和SA-II)对静态压力产生响应，而快适应受体(FA-I和FA-II)对动态压力（压力对时间的导数）和波动产生响应。其他复杂感应则由皮肤中的高密度多种接收器共同完成，比如表面硬度则通过皮肤受体和内部受体的综合输出信号来测量，而表面湿度的感知则是基于机械刺激接收器和热接收器的共同作用。传统电子器件不能满足对皮肤综合机械性能和感知性能的模仿，因此开发新材料新技术来实现皮肤中感受器、信号编码、信号传输和与神经系统间的接口尤为重要。

图1 皮肤受体和传导过程

 二. 机械性能模拟

皮肤通过弯曲和拉伸适应身体运动的能力不能通过传统的刚性硅基器件来实现。而柔性电子器件则可在曲面上实现弯曲和拉伸等行为，柔性基底加工过程简单也可以降低制造成本。然而若要完全模仿皮肤的感知功能，我们需要材料具有很低的弹性模量和很好的可拉伸性。本文将讨论三种实现可拉伸电子器件的主要途径：(1)柔性器件的屈曲；(2)引入非连续刚性元件；(3)利用本征柔性材料。

 1. 柔性器件的屈曲

将柔性器件固定在预先拉伸的弹性基底上，当基底的应力释放后，柔性器件会在垂直平面方向发生屈曲。而基底可以重新被拉伸到不同曲率半径的预应力状态，屈曲可以使各种高性能柔性器件在拉伸基底上高效运作。

2. 引入非连续刚性元件

在柔性基底上图案化非连续刚性元件阵列来构建可拉伸电子器件，再利用金或硅等刚性材料或可拉伸的碳纳米管来实现刚性元件间的导电连接，变形则发生在刚性器件间的可拉伸区域。引入刚性元件使高性能晶体管得以运用，但所制备柔性器件的拉伸性能则受刚性元件与可拉伸导电连接的面积比的限制，因此牺牲部分可拉伸性能以获得足够的器件密度在所难免。

3. 利用本征柔性材料

本征可拉伸电子器件的难点在于开发同时具备合适机械性能和电学性能的材料。比如在绝缘性聚合弹性体中嵌入电学活性成分，在该类复合材料中，填充物含量的增加在提高导电性的同时也会降低可拉伸性能。该问题可以通过降低润湿阈值和构建基于一维材料的二维网状结构来改善。最近研究成果也表明可以通过高分子电子材料的化学改性来获得合适机械和电学性能的柔性电子器件。

4. 柔性器件韧性和耐久性

义肢的使用过程中会受到多种不可预见的机械损伤，因此电子皮肤的韧性和耐久性也是考虑的重点。我们需要足够柔软但又同时具备高韧性和撕裂强度的弹性材料来满足电子皮肤的持久性应用。

图2 电子器件可拉伸性实现策略

三. 再造皮肤知觉

皮肤能够感受包括温度、压力、应力和振动等多种刺激。实现电子皮肤的感知功能需要将这些刺激信号转化为电信号，因此信号转换是利用人工设备模拟生物受体电信号输出的第一步。生物受体中两个最关键的组成部分即传感器和信号处理电路。

1. 温度传导

生物体皮肤对恒定温度的感知能力很弱，但却对温度变化很敏感。目前应用于电子皮肤中的温度传感器主要有热敏电阻、p-n结和热膨胀的复合材料。其中热敏电阻阻抗随温度线性变化，用于电子皮肤中温度分辨率达0.014℃，但它同时也对应力敏感；热敏p-n结是基于载流子的热活化来测温，该类传感器敏感性可优于热敏电阻，但却具有光响应特性；在聚合物基体中加入导电填充物，温度升高基体膨胀使填充物分布稀疏进而使电阻增大。

2. 静态应力传导

模仿SA-I接收器需要传感阵列具有高达0.5mm的压力测量空间分辨率。目前感应静态压力刺激的传感器主要基于容抗和阻抗机制。在电容式传感器中，主要通过改变两个平行极板间的距离和正对面积来调节电容大小。在电阻式传感器中包括两种机制：材料本身的压电性质和粗糙或特殊结构导体与电极间的接触电阻。

3. 静态应变传导

SA-II接收器主要测量皮肤中的应力，其模仿原理与静态力传导的实现大体相同。电阻式应变传感器主要通过改变传感器的几何因素（长度、截面积等）或改变材料的电阻率（受半导体能带结构影响）来调控传感器电阻值。

4. 动态力传导

压电或摩擦电传感器通过对机械变形的响应而产生电压。变形使活性层中的偶极子大小显著变化，进而在电极上产生积聚电荷。在具有非中心对称晶胞的材料上施加应力，不仅可以改变晶胞中偶极子的大小也可以改变单位体积材料中偶极子的数量。可利用的压电材料包括无机的ZnO和BaTiO₃，有机的聚偏二氟乙烯等。

5. 仿生传感阵列

目前，研究者利用多种仿生策略来改善器件性能并使其具有类皮肤功能。比如通过模仿皮肤上的中脊结构和指纹结构，将接收器嵌入电子皮肤不同深度，在压敏探测阵列加上弹性涂层等来提高电子皮肤的刺激敏感性。另外，研究者们通过构筑多层电子皮肤来实现多类型传感器对复杂刺激的感知。

图3 皮肤内感知刺激传导元件

四. 仿生数据编码方法

为了安全和有效地模拟神经组织，研究者采用脉冲波的形式来模仿动作电位。其中重要的参数包括刺激脉冲的振幅、相位和周期。为了实现电子皮肤与神经系统的接合，来自于传感器的电信号输出需要处理成神经系统能够感知的形式。并需要在电子皮肤中大面积植入高密度的传感器以保证高的空间和时间分辨率，来实现更真实的生物感知。因此，柔性读出矩阵元在高效信号处理和传输中也至关重要。

1. 编码输出仿生信号用电路

模拟脉冲的振幅控制感觉的形成的感应区域的大小，因此需要引入放大器来放大传感阵列记录的信号。研究者们利用不同的方法构建了柔性放大器，比如将硅薄膜或图案化的有机半导体转移到柔性基底上并将它们连接成互补金属氧化物半导体结构，并通过调节脉冲的频率、波形和周期等来调节输出信号强度。

2. 利用读出电子学进行传感器集成

多种功能的传感器阵列需要高密度覆盖大面积范围来保证感知的空间分辨率，然而降低传感器尺寸的同时也会降低模拟信号的振幅，另外增大传感器密度的同时交错的连线也会引起串扰。这些问题可以通过在每个传感器上连接一个晶体管来实现局部信号的传导和放大。将感知部位的信号数字化也可以降低信号传输过程的干扰。目前，已提出多种从传感器中读取信息的方法，例如将有源传感器与外部A/D转化器相结合，利用A/D转换器进行局部模拟信号传导或将来自于多部位的传感器的数字信号接入同一采样线。

图4 可用于收集和转换仿生数据的读取器件设计

图5 用于信号读出和寻址的传感器和电路设计

五. 重建自然触摸感知

将仿生信号传输到神经系统是利用电子皮肤重塑自然触摸感知和本体感受最后的重要一步。然而困难在于目前对神经系统编码感知信号的有限认识，使建立电子皮肤与神经系统间稳定接口成为难题。目前对中枢神经系统和边缘神经系统的模拟主要通过电、光、声和电磁场的引入来实现。

1. 电刺激

对于中枢神经系统来说，通过植入具有人体感知编码模式的电极直接在皮质层下形成微刺激，可以向病人其他仍有感知的部位提供知觉反馈。但是由于对电信号刺激的中枢活性区域的控制有限，植入电极与靶向大脑区域间的界面接触随时间退化，因此这种方法很难唤起足够强度和准确的感觉知觉。研究人员将遗传标记图像处理应用于机械性刺激接收器和脊髓之间的对应模式显示，推动了通过脊髓刺激重建肢体感觉的研究。可利用硬膜内外电刺激来实现电子皮肤和脊髓间的界面接口。

2. 光刺激

通过向灵长类动物的体觉大脑皮层引入特定视蛋白并在大脑中激发局部光刺激，生物体则可以通过手部的感知来处理光刺激信号。光信号的传输可以通过光纤耦合激光器或柔性多色LED阵列来实现。最近，研究结果表明通过基因改造小鼠，使其边缘神经系统中具备视蛋白，小鼠可对脚趾上的蓝光照射产生感应。然而，光刺激实现触觉感知向大脑皮层的传输仍会在长时间内受到人体基因治疗在技术和伦理上的限制。

3. 磁刺激

目前已有经颅和经皮磁刺激及其触觉感知应用的研究。当表面磁发生器与皮肤接触时，线圈产生的磁场会很容易透过皮肤并在神经元上产生刺激电流。磁刺激有望实现特定神经元的远程控制，但空间分辨率和临床应用仍需进一步研究。

4. 与神经系统间的稳定无线接口

在病人长期持续的动作后，植入电极或光学器件与中枢神经系统间仍能保持稳定坚固的界面接触是义肢电子皮肤应用的关键部分。最近研究者利用柔性电子元件设计来实现其与神经系统间长期稳定的界面接触。这使得植入电子元件与神经系统具有相似的机械性能以减少神经元损伤和电子元件外围伤疤组织的形成。另外，研究者也提出无线植入电子器件，用于实现器件与自由活动生物中枢和边缘神经系统的连接。

图6 实现义肢电子皮肤与神经系统相结合的新兴技术与发展前景

【总结与展望】

实现义肢电子皮肤所面临的挑战是多领域的，包括机械相容的电子器件、传感器、神经接口记忆辅助材料与设备的设计。纳米尺度的细胞间电极与细胞特异性光刺激等新兴技术，这为将高密度阵列传感器信号注入对应的边缘神经组织提供了大好前景。未来，具有高密度传感器的仿生电子皮肤可用于先进机器人，使大量输入信号的利用更加容易。类似于人工视网膜的低功耗视觉系统、仿生传感器与边缘神经传感器的联合分析可实现低功耗的触觉传感体系。人工电子皮肤将为人类健康记忆人工智能等领域做出深远的贡献。

文献链接：Pursuing prosthetic electronic skin (Nature Materials, 2016, doi:10.1038/nmat4671)

本文由材料人电子电工学术组任丹丹供稿，材料牛整理编辑。

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