知识就是力量杂志 - 电子皮肤究竟拥有怎样的感知功能和自愈能力?

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电子皮肤究竟拥有怎样的感知功能和自愈能力? - 后花园网文 - 大杂烩


  艾米·穆林斯(Aimee Mullins)是一名运动员、模特,也是一名演员,但同时,她也是一位小腿截肢的残疾人。凭借着非凡的毅力和坚强的内心,以及每次出门都要携带的装有20双适合不同场合义肢的行李箱,艾米惊艳了世界,也成就了自己。显然,义肢不仅仅成为她行动上的支撑,更成为了一种美学的装饰。但是,当前的义肢即使做的再精美华贵,在功能性和整体性上都不能与人体本身相提并论。而如今,电子皮肤(E-skin)的出现为义肢的发展,乃至人类医疗的发展提供了新的机遇。

  丰富的感知功能

  电子皮肤是一类具有多重感知能力的电子产品,通过采用柔性、可愈合材料作为基底,使其能够向人类或者其他生物皮肤一样同时具备感知和柔韧的特性。在科技发展的今天,科学家们对电子皮肤做出了相当多研究,也催生出了许多实用性产品。

  一家名为MC10的公司研发出了一款名为生物印章(BioStamp)的医疗监测产品,通过这种柔性无线传感器贴敷在人体的特定位置,就能够实时监测睡眠时间、姿势、心率曲线等生理参数。相比于智能手表的光电容积脉搏波描记法对心率的检测,这种方式的精度更高,再配合物联网的实时上传功能,对用户来说可谓意义重大,尤其是对于潜在心脏病患者,心电图的准确描绘能够帮助他们提前预防心脏疾病的发生,并在发现后及时获救。

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  受限于制作成本和电子皮肤本身的前景,当前最为广泛应用的方向显然是医疗领域。而随着器件小型化进程的发展以及云处理能力的进一步提升,像生物印章之类的产品将会越发轻巧纤薄,能够像人类皮肤一样完全贴敷在人体表面也不再是天方夜谭。在2017年的美国消费电子展(CES)上,来自中国的Rotex公司展示出了一种名为电子文身的柔性电子产品。

  得益于平面电子产品制备技术的发展,这种电子产品非常纤薄,可以直接贴在人体的任意皮肤处,并且能够有效地收集生理代谢物、体温等身体信号。采用平面电子元件也带给这种技术另外一个好处——它能够兼容目前市面上的卷对卷的制备工艺,从而实现制备成本的下降。

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  Rotex公司展示出了一种名为电子文身的柔性电子产品

  通过对电子皮肤的功能进行特殊设计,小小的电子皮肤可以对人体和外界的多种信息进行采集和传输。除冷热、湿度、触觉这些皮肤本身所拥有的功能之外,嗅觉和听觉这些本不属于皮肤功能的部分也可以被集成到电子皮肤的序列当中。

  更神奇的是,某些人类本身所不具有、而其他生物具有的感受能力,如磁感受能力甚至也能加入其中。搭配上目前已经实现的人体自主控制的人造肢体,如美国国防部先进技术局(DARPA)生产的LUKE仿生假肢,某些残疾的人即可获得灵活的肢体控制和全面的感知系统,从而变得比正常人更加强大。因此,从功能性的角度来看,电子皮肤的能力或将在不远的将来远超人类皮肤,它将赋予人类更多、更强大的功能。

  强大的自愈能力

  得益于细胞的全能性,人体在一定的损伤范围内能够实现在功能和外观的自我修复。比如手指被割破后几分钟,血管中聚集的纤维蛋白大分子和血小板就能构建起一道密集的血栓来阻止血液外流;而在之后的很长一段时间里,纤维细胞和纤维蛋白就像织布一样重新修复伤口部位;最后经过皮肤组织的更替,受伤部位的皮肤跟周围的就再难看出差别了。认识了人体修复的基本原理后,科学界受到启发也提出了电子皮肤自我修复的理论。

  首先,大部分柔性材料本身的有机聚合物体系就是通过长链的聚合物分子缠结形成的,在条件(如温度和湿度)允许的情况下,材料本身就可以通过动态共价键或者非共价键的再生以及聚合物链在受损界面的重新缠结来重建。其次,即使某些聚合物本身无法实现自愈,通过事先添加愈合剂到电子皮肤的基底材料当中也能够使其在受到损伤后完成一定次数的愈合。

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  从效果上来看,电子皮肤的自愈能力和人类皮肤相比仿佛没什么优势,甚至还有损坏主要电路后无法恢复正常工作的可能性,但是要知道,化合物的自愈条件是可以通过调整材料体系实现人为控制的。许多人体无法正常恢复的环境,如高温、高湿度、高盐浓度的条件下,环境本身对于伤口就存在着二次伤害的危险,而自愈材料的恢复条件较为宽泛,甚至可以人为地创造条件。

  另外,相对于人体表皮自愈,电子皮肤的自愈时间也往往更为简短。来自天津大学的科研团队研制成功的“全天候自愈合材料”就具备这种超强的环境兼容性,在24小时恢复时间的对比实验下,无论是在零下40℃的低温下,亦或是在过冷高浓度盐水中,甚至是在强酸强碱的环境中,该电子皮肤材料都能够实现50%~90%的自愈效率,并且不会损失太多的性能。

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  生物进化的初衷是为了能够生存下去、适应环境的变化,而人类在如今的时代中不仅能够利用条件适应环境,还能够通过工具有效地改造环境使其更适合人类生存。自然在人类进化中的推动作用在逐渐减小,而电子皮肤这一新兴人类文明产物将促使人类文明与电子文明进一步融合,赋予人类更为有力的工具去探索和改造未知的世界。

  本文来自《知识就是力量》杂志

  

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