研究人員開發出一種電子皮膚，可以模仿手指、腳趾或肢體在被戳或燙傷時移動的相同過程。這項技術可能促成人造肢體覆蓋層的開發，從而使佩戴者擁有觸覺，或幫助恢復皮膚受損者的感覺。
這種 ‘電子皮膚’ 是在加利福尼亞州斯坦福大學化學工程師鮑哲楠的實驗室中開發的。她的團隊長期以來一直致力於製造一種柔軟且柔性的人造皮膚，但這種皮膚也能夠將電訊號傳輸到大腦，使佩戴者能夠 ‘感覺’ 壓力、應變或溫度變化。
最新的研究成果於 5 月 18 日發表在《科學》雜誌上，描述了一種輕薄、柔性的感測器，它可以將訊號傳輸到大鼠大腦運動皮層的一部分，當電子皮膚被按壓或擠壓時，會導致動物的腿抽搐。
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鮑哲楠說：“目前的這種電子皮膚真正具備了我們一直夢想的所有屬性。我們已經談論它很長時間了。”
敏感皮膚
在健康的活體皮膚中，機械感受器感知資訊並將其轉換為電脈衝，這些電脈衝透過神經系統傳輸到大腦。為了複製這一點，電子皮膚需要感測器和積體電路，而這些通常由剛性半導體構成。柔性電子系統已經可用，但它們通常僅在高電壓下工作，這對可穿戴裝置來說是不安全的。
為了製造完全柔軟的電子皮膚，鮑哲楠的團隊開發了一種柔性聚合物，用作電介質——半導體器件中的一個薄層，它決定了訊號的強度和執行器件所需的電壓。然後，研究人員使用這種電介質製造出可拉伸、柔性的電晶體陣列，並將其組合成一種像皮膚一樣輕薄柔軟的感測器。
鮑哲楠說：“我們把所有剛性材料都變成了柔軟材料，同時仍然能夠保持高電氣效能。”
該感測器可以將物理變化（例如施加的壓力或溫度變化）轉換為電脈衝。該團隊還製造了一種可以從神經向肌肉傳輸電訊號的裝置，模仿神經系統中稱為突觸的連線。
鮑哲楠的研究小組在大鼠身上測試了該系統。電子皮膚透過導線連線到大鼠的軀體感覺皮層——大腦中負責處理身體感覺的部分。當電子皮膚被觸控觸發時，它會向大腦傳送電訊號，然後電訊號透過人工突觸傳輸到動物腿部的坐骨神經，導致肢體抽搐。
未來發展
這種型別的電子皮膚可用於遭受重傷或患有感覺障礙的人。鮑哲楠說，從長遠來看，他們希望開發一種侵入性更小的系統。“我們設想，對於失去肢體的人來說，我們不必植入大腦，”她說。“我們可以在周圍神經系統中植入。”
目前，電子皮膚仍然必須連線到外部電源，但鮑哲楠希望最終開發出一種無線裝置。然而，她說，要擁有一種覆蓋手的所有手指並對觸控、溫度和壓力做出反應的皮膚，還需要更多的發展。
英國劍橋大學生物電子學研究員 Alejandro Carnicer-Lombarte 說，儘管如此，擁有一個從感覺傳遞到肌肉運動的閉環系統“非常令人興奮”。他說，鮑哲楠團隊製造的裝置“在很大程度上是一個概念驗證”，但在人造假肢領域，許多團隊致力於單個元件——因此像鮑哲楠團隊所做的那樣，將所有這些元件整合到一個系統中，是向前邁出的重要一步。“按順序組合這些東西並非易事，我對此印象深刻，”他說。
Carnicer-Lombarte 還看到了將其他已知技術整合到系統中的潛力，例如，製造一種能夠使拇指和小指感知不同事物的皮膚。他補充說，實現更高的靈敏度，從而可以瞄準特定的大腦區域，將增加這項技術在未來的實用性。
本文經許可轉載，並於 首次發表 於 2023 年 5 月 18 日。