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让机器人拥有触感的电子皮肤。

美国青蛙设计公司设计的一款名为“Dattoo”的设备。

由纳米墨水制成的导电纹身。

能感知一只蝴蝶停在上面的压力的电子皮肤。

可剥落的电子表皮。

  新 视 野

  据美国物理学家组织网近日报道,继高灵敏度和自我发电两大创新之后,美国斯坦福大学的女科学家鲍哲南领导的团队为人造电子皮肤新添了透明和可拉伸功能,让人造电子皮肤朝人类真实皮肤更近了一步。

  这是人类对人造皮肤进行研究获得的最新成果。目前,有很多科研团队在人造皮肤的研究上大做文章,研究成果也纷至沓来,比如可监测病人心率甚至脑电波的“电子纹身”、可作为电子接口联通人和机器的人造皮肤等等,美国《大众科学》杂志网站近日就此为我们进行了梳理。

  皮肤的功能越来越多样

  在所有人类器官中,皮肤常常被我们忽视和胡乱对待,但是,皮肤非常可靠,它是我们的身体器官和组织的“保护神”,通过传递各种感觉帮助我们避免伤害,确保我们身处合适的温度和环境下。另外,皮肤的自我更新和恢复功能也非常强大。

  不仅如此,皮肤的一些特性也可以应用于其他方面,比如帮助安装了义肢的人重新获得他们已经失去的某些能力。而且,一些具有触觉感知能力的电子皮肤能帮助义肢理解握紧一个苹果、一双手或一块钢铁所需力量的细微差异。

  现在,有很多科学家正在尝试复制皮肤所拥有的这些让人受益的属性,研制各种人造皮肤。有的科学家正在建造微小的可拉伸的电子设备,以便赋予义肢真正的触感。也有科学家们正在拓展人类皮肤本身的性质,让其变身为21世纪连接人机之间的“桥梁”。

  由纳米墨水制成的导电“纹身”

  科学家们表示,某一天,人类可能不再需要给慢性病患佩戴电子监视设备来跟踪其葡萄糖浓度和心率。这些病患的皮肤将为他们做这些事情,或者更准确地说,他们的“纹身”将做这些事情。使用导电材料、荧光材料或纳米粒子液体刻写的纹身将成为一种不那么笨重、不令人讨厌和感觉麻烦的医疗监测手段。

  美国西北大学的药学教授希瑟·克拉克正在进行一项实验,试图制造出能让人一直处于联系状态的可嵌入设备。今年夏天,她展示了首款肉眼看不见的纳米粒子“纹身”,该纹身能通过在某些光线下发出荧光来监测血液中葡萄糖和钠的浓度。

  美国《技术评论》杂志介绍道,该纹身由120纳米宽的纳米液滴组成,这些液滴包含有一个荧光染料以及能依附于某些化学物质之上的传感器分子,分子越多产生的荧光也越强。一款配备了特殊滤光镜的iPhone手机可作为光源。在实验中,科学家们用iPhone手机的摄像头为荧光拍摄了一张照片并使用计算机对其进行分析,以确定生物标签的浓度。克拉克希望,他们最终能开发出一套可以阅读输出数据的iPhone手机应用程序。

  美国麻省理工学院的工程师们也制造出了旨在帮助糖尿病患者持续监测其葡萄糖浓度的纳米粒子“纹身”。工程师们表示,这些粒子也会在葡萄糖和红外光出现时发荧光,使用者能通过穿戴某些电子设备来提供红外线光束并解释荧光所代表的意义。

  尽管将这两套“纹身”加于人身上并非毫无痛苦,但与传统方法相比,这两套系统的侵入性毫无疑问要小得多。

  让机器拥有触觉

  最近几年,义肢越来越完善,但即使最好的义肢也没有人体皮肤所拥有的最微妙的感受,也就是说,义肢没有触摸别人或被别人触摸带来的温馨感觉。然而,新的电子皮肤或许朝制造出拥有触觉的义肢迈近了一大步。

  德国研究人员就在进行类似的尝试,他们正在制造一些特殊的皮肤:这些皮肤本身并不拥有触觉,但却能够非常精确地“说出”其接触的物体是什么。据英国《每日邮报》报道,德国慕尼黑工业大学的科学家们制造出了一个约0.75平方英尺的6边形电路板,每个电路板配备有4个红外线传感器和6个温度传感器。科学家们表示,这些传感器能探测大约1厘米距离内的物体,约等于人皮肤上的微小毛发能感受到的物体距离。研制出这款皮肤电路的菲利普·米藤多尔弗尔表示:“借用这一方法,我们模拟了人类皮肤的轻触觉。”

  研究人员表示,这种机器人皮肤像人类皮肤一样,当被某物体接触时会产生自发性退缩,这将有效地为机器人在环境中导航。另外,该机器人皮肤还将提供重要的触觉信息至机器人,并通过相机眼、红外扫描器和攥紧手掌而获得感知能力。

  不过,这种方法需要非常坚硬的材料。而现在,欧洲和美国的其他科研团队正在研制由可拉伸的表面(其能像真实的皮肤一样弯曲)制成的有触感皮肤。英国剑桥大学纳米科学中心的史蒂芬尼·拉库就是其中的翘楚,他领导的团队正尝试在一个透明的弹性硅胶上制造出能无损地拉伸和变形的电路。这种弹性材料能包裹四肢、手指,有望应用于皮肤移植甚至将皮肤用做触摸屏接口等领域。

  可拉伸的电子皮肤“出炉”

  在美国加州,有几个科研团队正在着力研制可拉伸的、能让机器具有触感的电子皮肤。

  其中一种皮肤由斯坦福大学化学工程系副教授鲍哲南领导的科研团队研制而成,其敏感度是人体皮肤的1000倍,而且具有可拉伸功能。

  去年9月,鲍哲南团队发明了一种可模拟人类皮肤的高灵敏度柔性塑料薄膜材料。这种材料由高灵敏的电子感应器组成,当无数感应器连成一片时,就形成与人类皮肤相似的薄膜。这种电子皮肤能感知一只蝴蝶停在上面的压力,可被广泛用于义肢、机器人、手机和电脑的触摸式显示屏、汽车方向盘和医学等领域。今年2月,鲍哲南团队再接再厉,创造性研制出了全球最新的可拉伸太阳能电池,使电子皮肤实现了自我发电。如今,鲍哲南团队又利用纳米材料为这种皮肤增加了透明和可拉伸功能,距离人类皮肤的功能越来越近。

  鲍哲南团队研制出的皮肤建立在有机半导体之上,其是由弹性材料和两个电极组成的“三明治”。加州大学伯克利分校的科学家们研制出的另一款人造皮肤模型也基于同样的原理,但其由无机纳米线电路组成。

  可剥落的表皮电子设备

  让纹身永远停留在身上并非好选择,能随时剥落的纹身才是人们的心头所好。今年10月份,美国伊利诺斯大学的科学家们宣布,他们新研制出了一种可剥落的表皮电路,其可像临时纹身一样附着于皮肤之上,这种小型电路也能随皮肤而弯曲和拉伸,可用来测量心率、肌肉活动、脑电波等生命体征,让医院不再需要对病人进行监护所使用的笨重电极。该装置还可用做电子绷带来加速伤口的愈合,用于烧伤以及其他皮肤疾病;它甚至还可为人造义肢带来触觉。

  该装置的中层由感应器、电子原件、电源及发光元件所需要的金属、半导体和绝缘体成分组成,该设计将所有这些必需的元件挤压到一个超薄层中,其厚度大约为人的一根头发。

  这种电子皮肤位于一层橡胶样的聚酯之上,它具有的力学性质与自然皮肤的力学性质非常匹配。该装置通过纯粹的吸力黏附在皮肤上,这种被称作范德华力的微弱力量是存在于相同物质分子间的引力,它不会干扰正常的皮肤运动,因此,可像临时纹身一样用于皮肤。

  批量生产人造皮肤

  烧伤病患和其他病人需要的皮肤要么是接受移植而来;要么剜肉补疮,从自己身体的其他组织处获得,然而,皮肤移植是个非常痛苦且危险的过程,而且效率也不高。因此,人们迫切希望能有一种可用的、容易移植的人造皮肤。现在,德国研究人员表示,他们已经找到了大量制造出这种皮肤的方法。

  在德国弗劳恩霍夫表面工程与生物技术研究所,科学家们建造了一个新的皮肤工厂,该工厂每月能制造出5000块硬币大小的白色的半透明组织。科学家们表示,他们也能够制造出棕色的皮肤。整个皮肤制造过程由机器人控制,机器人监控细胞的液体培养基的情况并小心翼翼地切除色样以预防感染。

  不过,到目前为止,这些物质还没有被用于皮肤移植,但科学家们表示,未来,他们可以通过简单的流水线制造出皮肤、气管等身体组织。这种皮肤目前主要用于化妆品检测。

  借助其它动物生产人造皮肤

  在培养皿中种植出人体组织听起来或许毫无吸引力,不过,人们正在考虑借用动物,制造出人造皮肤。

  今年夏天,德国科学家提出,蜘蛛丝作为可生物兼容、可生物降解的基体胶液可用于皮肤修复。这些科学家使用金丝网蜘蛛的蜘蛛丝,在金属框架上编织皮肤模型,并使用纤维组织母细胞来孵化它们,这为身体连接组织提供了结构背景。这些研究人员在《公共科学图书馆—综合》杂志上撰文指出,通过朝这些模型中添加皮肤细胞前体,他们能制造出包含有真皮和表皮的人造皮肤。

  其它动物的组织也可用作皮肤组织生长的基质,但蜘蛛丝比较简单,而且其生物降解能力强,因此,是一个很好的选择。

  皮肤防弹不是梦

  美国犹他州立大学的科学家兰迪·路易斯与同事最近发明了一种完全可进行商业化生产的新工艺,他们利用植入了蜘蛛基因的山羊和桑蚕,产出了“丝纤维”。

  蛛丝是人们已知的最强韧的纤维,强度是钢的5倍。尽管路易斯等人制造出的“丝纤维”并没有那么柔韧,但其也比普通桑蚕纺出的丝要强韧许多。在路易斯的帮助下,荷兰艺术家贾里拉·埃塞迪进行了一项实验,用人体皮肤细胞和这种丝纤维编织出了一小片能防弹的皮肤。

  埃塞迪最初想将路易斯发明的这种哺乳动物与蜘蛛的结合体身上的“怪诞因素”商业化。但路易斯没有足够多的“蛛羊丝”,于是,就给了她几卷桑蚕吐出的蚕丝,那些蚕丝是他用基因工程仿造“蛛羊”培育出的桑蚕吐出来的。

  埃塞迪一开始打算将“防弹皮肤”绷在框架上,用0.22口径的子弹朝它开枪,但她最终决定将其放在荷兰法医研究所使用的一块特殊的凝胶块上来做这个实验。

  她用高速相机拍下了子弹以减缓的速度穿透普通蚕丝织成的“皮肤”的过程,然后,再将路易斯给她的基因工程培育出的“蛛蚕丝”织成的一片织物嫁接在表皮与真皮之间,再进行同样的实验,结果发现,皮肤没有损伤。然后,她又用0.22口径的步枪进行同样的实验,子弹调整为正常速度,新皮肤仍毫发无损。

  埃塞迪对用蛛丝制造盔甲这一念头极为入迷。她说:“如果人体皮肤能产生这种丝纤维,那我们不就可以防弹了吗?”

  而路易斯则对这项研究在防弹领域的应用不那么热切,他说:“防弹马甲已经存在,这项发明更重大的意义在于医学方面。通过细胞培育可制造出大面积的人造皮肤,供外科医生用来覆盖大型伤口或治愈严重烧伤患者。”

  路易斯表示,这项应用何时开始还说不准,因为还需要得到美国食品和药物管理局(FDA)的许可。但他希望在两年内进行动物实验,他也强调,此前已有科学研究证明,蜘蛛丝能够很好地与人体兼容。

  路易斯表示,下一步将是制造出更多材料以测试什么细胞可以在其上生长,他说:“我们知道,有些皮肤细胞会在其上生长,但我们能让跟腱细胞和韧带细胞在其上生长吗?使用转基因丝或许更容易制造比跟腱或者韧带更好的材料。”

  皮肤作为电子接口

  科学家们也正在努力研究,试图将皮肤变成显示屏的接口。这些接口就像纳米粒子“纹身”一样,但不仅于此,诸如皮肤输入(Skinput)等设备将身体传感带到了另一个层次。

  Skinput是由微软公司和美国卡内基梅隆大学的科学家合作研发的一种新科技,它能将手臂化为轻触式屏幕,可通过敲打皮肤,在手臂上打电话、上网及玩游戏等。

  用户的手臂上会扣上设有声波感应器和影像显示器的手带。当用户触动手臂,或轻弹手指时,感应器会接收用户手臂不同位置发出的极低声波,随即透过蓝牙,将指令发至手机以及电脑等设备,影像显示器亦同时把影像投射至手臂上,令手臂摇身一变成为轻触式屏幕。

  科学家们表示,正处于研发中的Skinput可用于控制音响装置、玩俄罗斯方块等简单游戏、打电话及使用简单的浏览程序。

  此前,美国青蛙设计公司(Frog Design)设计出的一款名为“Dattoo”的设备可与人更加“亲密”。用户可以在自己的手臂上印上一预先设定大小的电子设备,该设备包括扬声器、麦克风、摄像头等工具。该设备也内置有用户的DNA,让人以最亲密的方式与设备相连。

  科学家们认为,Dattoo设备就是一个临时性的“纹身”,其也能用于布料或其他材料的表面,但现在的问题是,它仍然还只是一个概念。

  可拉伸、有触感、可传感……未来的人造皮肤可真不可小觑。不过,据10月23日的《自然·纳米技术》杂志报道,让人造电子皮肤最终拥有与人类皮肤同样的功能是鲍哲南的研究目标,但要达到这个目标,还需要增加温度、湿度等传感器,并能与神经细胞交流。她说:“现在的传感器还不能与神经细胞交流,还需要用电线与细胞连接起来,这些都是我们进一步努力的方向。”

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channelId 1 1 人造皮肤:可拉伸、有触感、能防弹 1 据美国物理学家组织网近日报道,继高灵敏度和自我发电两大创新之后,美国斯坦福大学的女科学家鲍哲南领导的团队为人造电子皮肤新添了透明和可拉伸功能,让人造电子皮肤朝人类真实皮肤更近了一步