电子皮肤,当科幻照进现实

大热游戏《赛博朋克 2077》的发售,让赛博朋克文化再次成为热点。当然大家热衷于讨论的一个的主题就是, 作品中那些富于未来感的炫酷技术距离我们到底有多远。除了埃隆 · 马斯克在今年 8 月拿出的脑机接口 “Neuralink”,另一项标志性的赛博朋克设备 “柔性电子皮肤”,也在悄然成熟。

电子皮肤的设定充满赛博朋克的味道 | pixabay

这种贴在身上,能够被外界设备识别,甚至储存信息的电子皮肤,本质上是一种很薄、很轻的穿戴设备,电路被集成到薄薄的皮肤一样的膜里,可以直接贴在身体上。华中科技大学机械学院教授,2020 年科学探索奖获得者黄永安教授称,目前已经能制造出厚度为 1 微米(保鲜膜厚度的 1/20 左右)的电子皮肤,贴在身体上,几乎都感觉不到它的存在。

1 微米的厚度非常小,需要用螺旋测微计才能测出 | 图虫创意

根据不同的功能,现在正在研发中的柔性电子皮肤,其使用的材料各不相同,包括纳米材料、与聚合物材料等等。例如,科罗拉多大学博尔德分校研制出的电子皮肤,使用的是液体金属材料作为电线,表面用聚亚胺来包裹。在阿卜杜拉国王学院的项目中,使用的是二氧化硅纳米颗粒增强的水凝胶作为皮肤表面,碳化钛作为传感层。无论使用何种材料,电子皮肤的特性都需要和人皮肤非常相似:它可以像人类皮肤一样褶皱,拉伸,旋转,弯曲等,却不会影响到本身的功能。除此以外,应用场景不同,它们的特征还有些细微的差别。

科罗拉多大学使用液体金属材料和聚合物制作的电子皮肤 |

https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202/tab-pdf

正因为这种柔性电子覆盖层紧贴皮肤,如果内置电路,就可以非常准确地监测人的身体状况。对比传统的穿戴设备,电子皮肤带来的精准度和便利性的提高不言而喻。传统的医疗监测设备,为了实时监测,要在身上布满贴纸和线,还需要在病人口袋放置机器。医生还需要提醒患者不要过多运动,担心信号会因为运动而接触不良,产生测量误差。电子皮肤就可以解决这样的问题,只需要在身体上贴上带有相应传感器的电子皮肤,然后通过蓝牙等无线方式将数据传输到监测终端即可。这样的处理不仅能提高监测数据准确性,保证实时性,还能减少病人麻烦,提高诊疗效率。

传统的医疗监测设备不方便且很难做到实时 | pixabay

这样的应用其实已经悄然展开了有一定时间。2018 年,加州大学伯克利分校和韩国科学技术院几乎同时发布了一种医用电子皮肤。通过不同血氧浓度的血液对红光的吸收程度不同这一原理(传统血氧仪也是这一原理),他们发布的电子皮肤都可以监测身体的血氧浓度。

传统的血氧仪需要夹在手上 | pixabay

今年 4 月,清华大学冯雪教授团队公布了一种可以进行连续的血压和血氧测量的电子皮肤。这种皮肤可以抑制运动带来的干扰,在运动状态下也可以使用。作者团队在北京清华长庚医院使用了这种皮肤来测量血压,94% 的测量者误差在 5 毫米汞柱以内,接近血压仪国标最大允许误差(3.75 毫米汞柱)。

清华大学冯雪团队公布的可以测量血压和血氧的电子皮肤 |

Haicheng L , Yinji M , Ziwei L , et al. Wearable skin-like optoelectronic systems with suppression of motion artifacts for cuff-less continuous blood pressure monitor [ J ] . National Science Review ( 5 ) :5.

利用不同原理,电子皮肤还可以监测身体的其他指标。例如,利用酶反应来检测身体中维生素 C 含量的电子皮肤,就被加州大学圣迭戈分校在今年 5 月发布了。

电子皮肤中的酶可以用来转化汗液中的维生素 C,以监测体内维生素 C 含量 | Sempionatto J R , Khorshed A A , Ahmed A , et al. Epidermal Enzymatic Biosensor for Sweat Vitamin C: Towards Personalized Nutrition [ J ] . ACS Sensors, 2020, 5 ( 6 ) :1804-1813.

这些电子皮肤无一例外都将传感器部分集成在皮肤上,紧贴着人类的身体。而数据处理等部分,则在其他终端上。监测指标可以通过蓝牙传送到医生的终端,为后续分析和治疗提供便利。黄永安教授称,在今年的新冠疫情中,电子皮肤也在监测患者血氧浓度、心率等指标上发挥了作用。

可以将数据用蓝牙传到其他终端进行处理 | pixabay

看到这里,有人不禁要问,那么电子皮肤运转所需的能量,电从哪里来呢?别慌,还有更黑科技的部分。人在运动的时候,会有皮肤褶皱、变形等。这将会产生能量。电子皮肤已经可以做到,收集这些褶皱、变形等运动产生的能量,用来维持电子皮肤的电力供应。甚至,还能通过汗液进行发电!加州理工学院医学工程系的助理教授高伟(Wei Gao)称,人体汗液中含有乳酸,电子皮肤中内置的燃料电池可以吸收乳酸并将其与大气中的氧气结合,产生水和丙酮酸,因而产生能量。这样,从外界看来,电子皮肤仿佛即插即用,令人惊叹。

加州理工学院提出的汗液发电的电子皮肤 |

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/ciot-esf042220.php

不过,如果由于外力作用,电子皮肤遭遇破坏了怎么办?科罗拉多大学博尔德分校的几位华人学者研究出的电子皮肤,将刚性(芯片组件)、柔性(改性的动态共价热固性聚酰亚胺)和液态材料(共晶液态金属)集成在一起,不但传感器效果很优秀,加入的液态金属材料也保证了它拥有自我修复功能,看来《复仇者联盟》中,钢铁侠赠给小蜘蛛的那件纳米材料蜘蛛侠战衣,在理论上至少有了诞生的可能。

已经可以研制出有抗各种极限操作的性能,并且可以自恢复的电子皮肤 |

电子皮肤未来的应用恐怕不只是在疫情中监测血压和血氧那么简单。它将会更贴近我们的生活,部分取代一些家用健康仪器的地位。它还可以作为日常运动穿戴设备使用,如同现在很多人戴的手环一样。甚至,用同样的原理,可以制造机器人的皮肤,使机器人像人类一样有着敏感的触觉。科幻电影中,那些有未来感的,多功能的皮肤,可能需要由电子皮肤来接近实现。

参考文献

[ 1 ] https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202/tab-article-info

[ 2 ] https://www.caltech.edu/about/news/electronic-skin-fully-powered-sweat-can-monitor-health-serve-human-machine-interface

[ 3 ] Haicheng L , Yinji M , Ziwei L , et al. Wearable skin-like optoelectronic systems with suppression of motion artifacts for cuff-less continuous blood pressure monitor [ J ] . National Science Review ( 5 ) :5.

[ 4 ] Sempionatto J R , Khorshed A A , Ahmed A , et al. Epidermal Enzymatic Biosensor for Sweat Vitamin C: Towards Personalized Nutrition [ J ] . ACS Sensors, 2020, 5 ( 6 ) :1804-1813.

[ 5 ] Hyeonwoo, Lee, Eunhye, et al. Toward all-day wearable health monitoring: An ultralow-power, reflective organic pulse oximetry sensing patch. [ J ] . Science Advances, 2018.

作者:小圆

一个 AI

能不能贴一层自加热皮肤,最近真冷

果壳网
我还没有学会写个人说明!
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