Nat. Mater. 鮑哲楠最新綜述——人工電子皮膚為截肢患者帶來希望

皮膚在人們與自然界互動的過程中擔任著至關重要角色。通過皮膚的感知功能，人們可以毫不費力地區分感觸到的微風、織物、軟硬物體表面。所以，對于皮膚組織受損以及截肢人員，其皮膚感知功能的修復將大大提高他們的生活質量。這項科學和工程上的極限挑戰極大促進了新材料、新設備和新制造技術的發展。人工電子皮膚作為人體皮膚的一大替代材料，近些年深受材料科學家們的青睞，各項研究成果不斷見諸報道。

日前，斯坦福大學著名華裔科學家鮑哲楠等人在Nature Materials上撰文，綜述了人工電子皮膚可能的備選材料、感知生物信號能力等方面的設計要素等內容。

人工電子皮膚材料能夠模擬人體皮膚的功能，科學家們正在研究如何讓其更好地運用于機械義肢。現有的機械義肢已經可以模擬手臂的許多機械性能，當給其添加皮膚感知功能后，就可以給截肢患者的生活帶來切實的幫助。這樣一來，人工義肢就可以通過人工電子皮膚的感知回饋帶給患者一種義肢即真肢的感覺，且其在減少患肢疼痛和義肢認知緊張方面，優勢顯著。值得一提的是，通過電子元件制備的具有人類皮膚功能的電子皮膚，可以廣泛運用于義肢和藥物研制。人們對人工皮膚的研究興起，也激發了模擬包括機械耐用性和拉伸性、生物降解性以及具備多重感官等功能的皮膚材料的研究和創新。新材料的研發制備使得機械相容性、復雜皮膚功能化并能將皮膚感知的信號傳導給身體的皮膚材料的出現成為可能。

【圖文導讀】

Part 1：來自人體的生物啟發

要想讓真實皮膚的感知功能在人工電子皮膚上得到再現，就必須對真實皮膚的感官性能和傳感機制進行研究和模擬。人體皮膚感知受體分為：疼痛感受器，冷熱感受器和四種機械刺激感受器。圖1表示人體皮膚對外界刺激的感知傳導機制，位于皮下的感知受體感受到外界刺激后，將其轉化為生物電信號，通過神經組織傳遞給大腦。大腦對接受的電信號加以處理，從而對外界刺激進行感知。

圖1：皮膚受體和傳導過程：a. 人類皮膚中冷感受器所產生的動作電位。b. 皮膚機械感受器位置原理圖。c. 機械感受器的類型、功能、相應時間及在手掌中的分布密度。RF，接受域大小；SA-Ⅰ和SA-Ⅱ，慢適應受體；FA-Ⅰ和FA-Ⅱ，快適應受體。d. 感官刺激從外界（起始點）到大腦中人工受體（終止點）的傳導過程。信號采集、模擬動作電位的電信號的編碼、傳動裝置和神經接口都是為假肢提供感知功能所必不可少的組成部分。

Part 2：機械性能模擬

人體皮膚對機械刺激和運動有一定的感知能力，人工電子皮膚模擬人體皮膚的這項功能，使義肢能夠擁有與真實皮膚相似的機械感知和耐用程度。在新一代人工電子皮膚中，柔性電子材料取代剛性元件，降低彈性模量的同時提高了人工皮膚的拉伸性，從而提高了皮膚的機械運動性能并降低了成本造價。人工皮膚材料實現其拉伸性的三種方法：（1）柔性元件的屈曲；（2）不連續組件的運用；（3）本征柔性材料的運用

圖2：電子元件不同部位的拉伸性：a. 彎曲應力作用下的基質層。b. 像素層中鏈接剛性元件的中間體的拉伸性。c. 運用元件而使材料具有彈性的材料層。d. 左圖：具有高耐用性和拉伸性的碳納米晶體管，能在沖擊和穿刺作用下維持其功能。右圖：細針刺入晶體管空腔前后的傳遞曲線。虛線代表門電流，通常等于泄漏電流。e. 通過一定的設計（左圖）來模擬人體皮膚功能（右圖）。真實皮膚背腹兩面（空心圓）機械性能與仿生材料實驗數據（Exp.）以及變形力學的有限元分析（FEA）。

Part 3：實現皮膚感知功能

人體皮膚能對溫度、壓力、張力和振動等外界刺激進行感知并作出反應。皮膚感受器將這些外界刺激通過一定機制轉化成電信號，人工皮膚能夠模擬這一過程，將相似的電信號輸出給仿生受體。對于仿生受體來說，靈敏的傳感器和信號傳輸電路是至關重要的兩個部分，它們起到對仿生信息進行編碼的作用。

Part 4：仿生信號的編碼方式

對于安全有效的外界刺激，神經組織會相應生成一種脈沖波形來模擬它，其振幅、頻率和持續時間是最重要的三個參數。接下來，電子輸出信號將被編碼為便于神經系統理解和傳輸的生物信號。大面積的電子皮膚下將安置高密度傳感器陣列來獲取人體感官。所以，靈活的讀出矩陣也為數據的高效采集和傳輸提供了必要條件。

圖3：皮膚刺激傳導元件：a. ?左圖：測量靜電壓的電容（頂圖），大塊電容電阻（中間圖）以及瞬變電阻（底圖）。紫箭頭代表外界壓力；黑星圖標代表導電粒子；中間圖的紅色虛線代表滲流通道。底圖紅色加強部分代表接觸面積。右圖：帶有金字塔形電解質（頂圖）的電容傳感器在恒定壓力下有恒定的反饋值（底圖）。b. ?摩擦靜電和壓電元件在外力作用下產生電壓（頂圖）。壓電元件（中間圖）對外界刺激做出的動態反饋（底圖），可用以實現FA-Ⅰ和FA-Ⅱ的功能。c. ?中間脊可以用以集中外力，指紋可以用來辨別紋理。FNE，游離神經末梢；MD，梅克爾盤；RE，羅菲尼小體；PC，帕西尼氏小體；MC，觸覺小體。d. ?壓力傳感器的四個垂直層可以用來像仿生皮膚一樣感知復雜的壓力分布。e. 左圖：多功能電子皮膚上所含測量張力、壓力（P）、溫度（T）、濕度的電子元件。N，P和I分別代表硅帶上的N型、P型和本征半導體區域。右圖：測量壓力和溫度的多層有機有源矩陣基質。IDS，源漏電流。

Part 5：觸覺感知機制

刺激感受機制中，最重要的一步就是將自然刺激和本體感受在義肢電子皮膚上得到再現。這一點難實現之處在于人們對神經系統編碼方式的了解極為有限，且制造穩定的神經信號接收界面更是難上加難。中央和周圍神經系統通過電極、光極、聲感應和電磁感應接收刺激。科學家們研究不同的感知機制，并期在將其運用在人工電子皮膚上。

圖4：用以收集和轉化仿生信號的讀出電子設計：a.外界信號轉變成電子棘波的流程原理圖，需要放大器（i）、振蕩器（ii）和邊界檢測器（iii）。b.信號處理電路各階段的輸入輸出信號值。放大器的輸入信號為傳感器實驗信號，邊界檢測器的輸出信號是將刺激強度轉變為“動作電位”的仿生信號。c.左圖：阻壓傳感器原理圖；右圖：運用在人工機械刺激感受器上的打印環形振蕩器信號。d.圖c表征的機械刺激感受器元件的輸出電壓值。

圖5：信號讀出和搜尋所需的傳感器和電路設計。a. 與轉換和發大原位信號的晶體管相連接的傳感器。左圖：與晶體管相連的電容傳感器結構原理圖。插圖：與信號轉換晶體管相連的電容傳感器電路圖。Vsd和Vg分別表示施加在源電極和漏極之間、柵電極和漏極之間的電壓值。中間圖：晶體管傳感器基質的二維壓力圖。右圖：壓敏有機晶體管的典型性能。IDS代表源電極和漏極的現時電流。b. 與現場多路復用電路相連的傳感器陣列。左圖：與開關晶體管相連的電阻傳感器的原理圖。插圖：用于多路復用的晶體管傳感器的電路圖。右圖：用于搜尋金屬環的典型觸覺感知陣列。c. 與用以產生仿生信號的模數轉換器相結合的傳感器。左圖：一端連手指尖，一端連內含模數轉換器的連接器的壓力傳感器。插圖：帶有振蕩器的集成化傳感器原理圖。1，2和3代表頻率可調機制。1處改變電源電壓；2處改變反饋回路電阻；3處改變反饋回路電容。中間圖：傳感振蕩器與真實機械性刺激感受器輸出值的對比。誤差條是升壓過程中十次測量的標準偏離值。d. 讀出矩陣與傳感器陣列的集成。左圖：靈敏讀出矩陣的原理圖，該矩陣用以收集和轉化傳感器信號。中間圖：被動讀出矩陣原理圖，該矩陣用以收集并轉換傳感器模擬信號。右圖：用以收集仿生及電子信號的讀出矩陣原理圖。不同模數轉換器將生成不同以本體感受為基礎編碼的輸出信號。

圖6：將人工電子皮膚信號與神經系統相連的新興技術與發展前景。a-d.人體中的潛在連接區域，包括大腦（a）、脊髓（b）、肌肉（c）和末梢神經（d），其連接方式包括電刺激（i），光刺激（ii）和磁刺激（iii）。插圖：黑色虛線方框里的放大區域表示神經束中接受電刺激（i）和光刺激（ii）的少量或單根神經接口。e.頂圖：刺激束中神經和神經內的電極排列。左圖：穿透電極排列；右圖：細胞內電極排列。中間圖：光電誘導特異性活動的發光二極管陣列。左圖：可伸縮的發光二極管；右圖：多色彩的發光二極管陣列。底圖：提供長期穩定生電接口的軟電子元件。左圖：軟多功能電極陣列；右圖：卡夫電路。

part6: 展望

內含多傳感器的人工仿生電子皮膚將能夠更便捷地處理多種輸入信號，并在未來的先進機器人中得到廣泛應用。同時，仿生傳感器和光流分析傳感器將運用于低能耗的觸覺傳感器系統中。人工電子皮膚將為截肢和皮膚受損患者帶來福音，同時為生物醫用材料界帶來可喜的進步。

文獻鏈接：Pursuing prosthetic electronic skin（Nature Materials，2016，doi:10.1038/nmat4671）