與傳統(tǒng)的塊狀電子器件相比，柔性電子技術(shù)帶來(lái)了革命性的變革。這種技術(shù)使得電子器件變得輕薄柔軟，甚至具有彈性，類(lèi)似于紙張或手機(jī)膜。在柔性電子的應(yīng)用領(lǐng)域中，電子皮膚尤為引人注目。

電子皮膚的設(shè)計(jì)與功能

電子皮膚是通過(guò)柔性電子技術(shù)制造的，模仿人體皮膚的電子器件。它不僅需要具備皮膚的柔軟性，更重要的是擁有觸覺(jué)感知能力。電子皮膚不僅能夠模仿皮膚的功能，還能超越皮膚，幫助人類(lèi)獲取環(huán)境和人體中的物理化學(xué)信號(hào)，提升與環(huán)境或自身的交互能力。

皮膚與觸覺(jué)感知

皮膚作為人體最大的器官，是觸覺(jué)的主要載體。我們能夠感受到物體的硬度，是因?yàn)槠つw中的壓力感受器能夠根據(jù)接觸時(shí)的力的大小來(lái)分辨物體的軟硬程度。電子皮膚通過(guò)壓力傳感器，同樣可以感知物體的軟硬程度。壓阻式壓力傳感器是實(shí)現(xiàn)這一功能最簡(jiǎn)單和最常用的方式，它利用導(dǎo)電材料在形變時(shí)產(chǎn)生的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感。

柔性壓力傳感器的應(yīng)用

柔性壓力傳感器不僅能夠感知壓力，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)物體形狀的感知。麻省理工學(xué)院的科研人員設(shè)計(jì)了一種低成本的可伸縮觸覺(jué)手套，手套上分布著548個(gè)壓阻型壓力傳感器，能夠詳細(xì)記錄每個(gè)傳感器感知到的壓力數(shù)值。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，他們訓(xùn)練了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，從而鑒定出不同的物體。

電子皮膚的集成與應(yīng)用

通過(guò)柔性電子技術(shù)，結(jié)合柔性拉伸傳感器、溫度傳感器等，可以構(gòu)建出具有觸覺(jué)的電子皮膚。電子皮膚最直接的應(yīng)用是智能機(jī)器人。擁有觸覺(jué)的機(jī)器人能夠更精確地讀取環(huán)境中的壓力信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、多樣、有效的行動(dòng)。例如，當(dāng)前的機(jī)器人在對(duì)小尺寸、柔軟物體的抓握和操縱上存在困難，而電子皮膚提供的精細(xì)力學(xué)反饋將有助于解決這一問(wèn)題。

人造傳入神經(jīng)與觸覺(jué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換

盡管在傳感器層面上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的感知，但將傳感器信號(hào)有效地轉(zhuǎn)換為大腦能夠理解的神經(jīng)電信號(hào)仍是一個(gè)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們通過(guò)仿生技術(shù)，發(fā)明了人造傳入神經(jīng)。這種人造傳入神經(jīng)包括壓阻型壓力傳感器、有機(jī)環(huán)形震蕩器和突觸晶體管。壓力傳感器獲取壓力信息，環(huán)形振蕩器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，突觸晶體管將這些脈沖信號(hào)整合并轉(zhuǎn)化為突觸后電流，與生物體內(nèi)的傳出神經(jīng)對(duì)接，形成一個(gè)完整的單突觸反射弧。

蟑螂腿的實(shí)驗(yàn)與腦機(jī)接口技術(shù)

科學(xué)家們將人造傳入神經(jīng)與蟑螂腿上的傳出神經(jīng)對(duì)接，通過(guò)壓力傳感器施加壓力，成功地驅(qū)動(dòng)了蟑螂腿的運(yùn)動(dòng)。這一實(shí)驗(yàn)展示了人造神經(jīng)在生物體中的應(yīng)用潛力。此外，通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，用編碼后的信號(hào)對(duì)大腦特定區(qū)域和細(xì)胞進(jìn)行刺激，可以實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)體驗(yàn)。盡管目前對(duì)知覺(jué)的神經(jīng)編碼的理解有限，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展仍需突破，但這為未來(lái)的觸覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)換提供了可能。

蟑螂腿被人造神經(jīng)控制機(jī)理（圖片來(lái)源：Science）

柔性電子技術(shù)的其他應(yīng)用

除了建立觸覺(jué)系統(tǒng)，柔性電子技術(shù)還可以使各類(lèi)傳感器具備皮膚一般的性質(zhì)，如柔軟、可拉伸、自愈合等。這些傳感器可以覆蓋在皮膚上或衣服上，隨時(shí)隨地感知環(huán)境和自身的信息。此外，電子皮膚還可以通過(guò)其他物理化學(xué)原理，感知陽(yáng)光中的紫外線強(qiáng)度、濕度、磁場(chǎng)、物體的接近等，或無(wú)創(chuàng)地監(jiān)測(cè)體液中的血糖等生理指標(biāo)信息，采集腦電、肌電和心電信息等。這些應(yīng)用展示了柔性電子技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的廣闊前景。