柔性电子技术革新与人形机器人的电子皮肤应用前景

与传统的块状电子器件相比，柔性电子技术带来了革命性的变革。这种技术使得电子器件变得轻薄柔软，甚至具有弹性，类似于纸张或手机膜。在柔性电子的应用领域中，电子皮肤尤为引人注目。

电子皮肤的设计与功能

电子皮肤是通过柔性电子技术制造的，模仿人体皮肤的电子器件。它不仅需要具备皮肤的柔软性，更重要的是拥有触觉感知能力。电子皮肤不仅能够模仿皮肤的功能，还能超越皮肤，帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号，提升与环境或自身的交互能力。

皮肤与触觉感知

皮肤作为人体最大的器官，是触觉的主要载体。我们能够感受到物体的硬度，是因为皮肤中的压力感受器能够根据接触时的力的大小来分辨物体的软硬程度。电子皮肤通过压力传感器，同样可以感知物体的软硬程度。压阻式压力传感器是实现这一功能最简单和最常用的方式，它利用导电材料在形变时产生的电阻变化来实现传感。

柔性压力传感器的应用

柔性压力传感器不仅能够感知压力，还能实现对物体形状的感知。麻省理工学院的科研人员设计了一种低成本的可伸缩触觉手套，手套上分布着548个压阻型压力传感器，能够详细记录每个传感器感知到的压力数值。通过这些数据，他们训练了深度学习网络，从而鉴定出不同的物体。

电子皮肤的集成与应用

通过柔性电子技术，结合柔性拉伸传感器、温度传感器等，可以构建出具有触觉的电子皮肤。电子皮肤最直接的应用是智能机器人。拥有触觉的机器人能够更精确地读取环境中的压力信号，从而实现更精准、多样、有效的行动。例如，当前的机器人在对小尺寸、柔软物体的抓握和操纵上存在困难，而电子皮肤提供的精细力学反馈将有助于解决这一问题。

人造传入神经与触觉信号的转换

尽管在传感器层面上可以实现对物体的感知，但将传感器信号有效地转换为大脑能够理解的神经电信号仍是一个挑战。科学家们通过仿生技术，发明了人造传入神经。这种人造传入神经包括压阻型压力传感器、有机环形震荡器和突触晶体管。压力传感器获取压力信息，环形振荡器将压力信号转化为电压脉冲，突触晶体管将这些脉冲信号整合并转化为突触后电流，与生物体内的传出神经对接，形成一个完整的单突触反射弧。

蟑螂腿的实验与脑机接口技术

科学家们将人造传入神经与蟑螂腿上的传出神经对接，通过压力传感器施加压力，成功地驱动了蟑螂腿的运动。这一实验展示了人造神经在生物体中的应用潜力。此外，通过脑机接口技术，用编码后的信号对大脑特定区域和细胞进行刺激，可以实现触觉体验。尽管目前对知觉的神经编码的理解有限，脑机接口技术的发展仍需突破，但这为未来的触觉信号转换提供了可能。

蟑螂腿被人造神经控制机理（图片来源：Science）

柔性电子技术的其他应用

除了建立触觉系统，柔性电子技术还可以使各类传感器具备皮肤一般的性质，如柔软、可拉伸、自愈合等。这些传感器可以覆盖在皮肤上或衣服上，随时随地感知环境和自身的信息。此外，电子皮肤还可以通过其他物理化学原理，感知阳光中的紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等，或无创地监测体液中的血糖等生理指标信息，采集脑电、肌电和心电信息等。这些应用展示了柔性电子技术在多个领域的广阔前景。