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最牛的“可穿戴设备”——电子皮肤

当今社会 ， 可穿戴智能设备已经普及开来 ， 相信大家都听说过智能眼镜、智能手表、智能腕带等 ， 不过要说最牛的“可穿戴设备” ， 应当非“电子皮肤”莫属！
最牛的“可穿戴设备”——电子皮肤文章插图
电子皮肤（图片来自网络）
电子皮肤是一种可以产生触觉的超薄电子设备 。 在人们的印象中 ， 硬件通常都是坚硬且有一定形状的 ， 而电子皮肤却是像皮肤一样柔软的硬件 ， 可被加工成各种形状 ， 用途十分广泛 。 比如 ， 它能依附在设备表面充当外衣（比如机器人外衣） ， 还可以应用在遭遇严重皮肤创伤（比如烧伤或皮肤疾病）的人体修复手术中 。 这种新型人造皮肤可以感受外界压力、温度等的变化 ， 并通过电路向我们的大脑发送信号 ， 从而产生近乎真实的触觉 。 其灵敏度之高 ， 甚至可感知到20毫克蚂蚁的重量！如此高能的科技是怎么做到的呢？
首先 ， 我们对电子皮肤做个简单的“解剖” ， 它主要是由三部分元件构成：传感器、信号转换与传输电路、具有特殊蛋白的神经细胞（图2） 。 通过这三类元件 ， 电子皮肤实现了触觉信号的接收 ， 转换和传递 。 不要小看这三种元件 ， 每一个都大有来头 。
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电子皮肤感应信号并传导到大脑的示意图
1. 首先是传感器 ， 它是电子皮肤的感受器 。 感受不同的外部环境所需的传感器也不同 ， 比如压力传感器可以感受压力的变化并转换为电阻 ， 从而实现了由压力信号到电信号的转变 。 一般压力传感器有电容式和电阻式的形式
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电容式和电阻式压力传感器原理示意图
电容式传感器（顶部）通常是通过改变两个平行板电极之间的距离改变电容的大小 ， 可以有很好的灵敏度和线性度 。 电容式传感器的电介质可以是固体聚合物 ， 微结构弹性纤维 ， 或是空气介质 。 电阻传感器则是采用两种机制：内部材料压电电阻（中部）或结构化导体和电极间的接触电阻（底部） 。 在第一个机制中 ， 施加压力可以改变半导体的能带结构或在聚合物组分中导电填料的分布 ， 导致电阻变化 。 不过 ， 一般压阻聚合物复合材料表现出大滞后和大干扰 ， 低温度敏感性和低压力灵敏度 。 科学家们研究了依赖于调制的接触电阻的电阻传感器 。 接触电阻的变化是由在导体和电极之间接触面积变化所引起的 ， 不是天生对温度敏感 ， 因此可以把混杂温度效应最小化 。 此外 ， 由于接触电阻是一个表面效应 ， 设备可以非常薄 ， 从而提高灵活性和延展性 ， 减少元素之间的串扰 ， 使得接触电阻式传感器备受偏爱 。
2. 信号的接收之后 ， 有一个转换和传输电路 。 它能够将电阻变化转换成电脉冲信号 ， 随着压力的增加 ， 电脉冲频率也会相应增加 。 通过脉冲的大小控制感知区域的感觉和大小 。 改变刺激的振幅 ， 放大器可以放大传感器阵列记录的信号 。 额外的电路是为了用来控制刺激的波形 。 数据传输模块在灵活和可伸缩的互联上 ， 可以记录、转换和传输从传感器到神经组织的信号 。
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信号转换和传输电路
3. 最后科学家用纤维耦合激光器或灵活多彩发光二极管阵列（LED）等将电信号转换为光信号 ， 传输到一种特殊的神经细胞上 ， 这种神经细胞内含有一种蛋白-特定的视蛋白(光敏蛋白质) ， 它可以吸收光信号并转换为神经电信号 ， 在潜在的接口和神经元比如脑皮层感觉神经元引发光刺激 ， 从而实现了神经信号的传递 。
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