人類皮膚中的機械感受器可以感知蝴蝶的微妙重量，感受到附近火焰或冷飲的熱度，理解一只手是握拳還是在打和平手勢，并通過輕輕的觸摸來計算所愛之人的脈搏。渴望制造人造電子皮膚的工程師們迄今為止已能夠制造出模擬這些非凡感覺的柔軟、靈活的材料，但是在此之前他們從未創造出能夠直接與大腦對話的類似皮膚的材料。
雖然以前的努力需要剛性的電子器件將感應到的信號轉換成大腦可以讀取的電脈沖，但是來自美國斯坦福大學的研究人員在一項新的研究中制造出了軟集成電路（soft integrated circuit），可以將感知到的壓力或溫度轉換成類似于神經脈沖的電信號，與大腦交流。他們希望有朝一日，這些信號可能會被引導到植入外圍神經的無線通信芯片中，使截肢者能夠控制假肢。其他潛在用途可能包括新時代的植入式或可穿戴醫療設備。相關研究結果發表在2023年5月19日的Science期刊上，論文標題為“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”。
論文通訊作者、斯坦福大學化學工程系教授Zhenan Bao說，“我們已研究了一段時間的單片式電子皮膚（monolithic e-skin）。所面臨的障礙并不在于找到模擬人類觸覺能力的機制，而在于只使用類似皮膚的材料將它們結合在一起。”
論文共同第一作者、Bao實驗室的博士生Weichen Wang說，“該挑戰的大部分歸結為推動類皮膚電子材料的發展，使其能夠被納入集成電路，并具有足夠的復雜性以產生類似神經的脈沖序列和足夠低的工作電壓，以便安全地用于人體。”
技術的層級
他們的目標是建立一種可以模擬感覺感受器機制并在低電壓下有效運行的軟集成電路。不幸的是，Wang的第一次嘗試要求的電壓高達30多伏，無法實現足夠的電路功能。他說，“這種新的電子皮膚僅在5伏電壓下運行，可以檢測到與真實皮膚類似的刺激。”
人造皮膚將對新時代的假肢至關重要，它們不僅能恢復運動和功能，如抓握，還能提供感官反饋（本體感覺），幫助用戶精確地控制這種設備。不僅如此，感覺皮膚材料本身必須一次又一次地拉伸和恢復，同時永遠不會失去其類似神經的電特性。
圖片來自Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0086。
這些作者發明了一種三層電介質結構，與單層電介質相比，有助于將電荷載體的流動性提高30倍，使得軟集成電路能夠在低電壓下運行。有趣的是，這種三層結構中的一層是丁腈橡膠，這種橡膠也被用于外科手術手套。大部分電子皮膚是由許多層類似皮膚的材料組成的。每層中都集成了有機納米結構的網絡，即使在被拉伸時也能傳輸電信號。這些網絡可以被設計為感知壓力、溫度、張力和化學物。
每個感官輸入都有自己的集成電路。然后，所有不同的感覺層必須被夾在一起，成為一個單一的整體材料，不能分層、撕裂或失去電子功能。
每個電子層只有幾十到幾百納米厚，六層左右的成品材料不到一微米。Bao說，“不過這實際上太薄了，不容易處理，所以我們用一個襯底來支持它，這使我們的電子皮膚達到大約25～50微米的厚度---大約是一張紙的厚度。它與人類皮膚外層的厚度范圍相似。”
新一代的進步
這種系統是第一個以柔軟、耐用的形式將傳感和人類皮膚的所有理想電氣和機械特征結合起來的系統，可用于下一代假體皮膚和創新的人機界面，以提供類似人類的觸覺。
他們的原型系統已制造出，Bao、Wan及其研究團隊如今開始增加他們的技術的復雜性和可擴展性，增加無線功能，以及與大腦和身體周邊的接口方式。
參考資料：Weichen Wang et al. Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin. Science, 2023, doi:10.1126/science.ade0086.
