電子皮膚（e-skin）能夠模仿人類皮膚，是可穿戴技術(shù)不可或缺的一部分，已廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。設(shè)計(jì)和制造具有多種功能的電子皮膚是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，它融合了多種結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性能的材料。目前已經(jīng)報(bào)道了對各種機(jī)制和材料的一些研究，以使電子皮膚具有柔韌性、可拉伸性和敏感性。在材料層面，石墨烯由于其優(yōu)異的電子、電氣和機(jī)械性能，是最適合制作電子皮膚的材料。盡管近年來在這一領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，但制造多功能智能電子皮膚仍然是一個挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，印度RV工程學(xué)院（RV College of Engineering）、西安電子科技大學(xué)（Xidian University）和華盛頓州立大學(xué)（Washington State University）的研究人員聯(lián)合在IEEE Sensors Journal期刊上發(fā)表了以“Trends in graphene-based e-skin and artificial intelligence for biomedical applications-A Review”為題的綜述文章。文中以石墨烯為例，探討了電子皮膚的最新進(jìn)展以及人工智能（AI）在可穿戴技術(shù)中的應(yīng)用，并簡要介紹了人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的優(yōu)勢和局限性。

電子皮膚的結(jié)構(gòu)和工作原理圖

電子皮膚是一種使用不同材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制成的人造皮膚。對于實(shí)際應(yīng)用，電子皮膚必須具有柔性、可拉伸性、多功能性、機(jī)械穩(wěn)定性，并且能夠以低成本進(jìn)行大面積制備。石墨烯基材料最能滿足這些要求。在生產(chǎn)石墨烯的不同方法中，基于激光誘導(dǎo)的石墨烯（LIG）由于其多孔性和3D結(jié)構(gòu)，是可穿戴傳感器的理想材料。然而，激光誘導(dǎo)方法受到一些問題的挑戰(zhàn)，需要潛在的研究關(guān)注。

還原氧化石墨烯/聚氨酯導(dǎo)電海綿的機(jī)械示意圖

配備觸覺傳感器的電子皮膚在心臟脈搏監(jiān)測和心電圖記錄方面已經(jīng)顯示出超越生物皮膚的能力。但電子皮膚的制造具有固有的挑戰(zhàn)：

（1）首先，所用的傳感器是常規(guī)的，響應(yīng)范圍窄。因此，在可穿戴技術(shù)研究中，配備高靈敏度傳感器的電子皮膚是一個利基市場。

（2）其次，集成不同的壓電、電容或摩擦電傳感器是實(shí)現(xiàn)多功能電子皮膚的必要條件。因此，具有能夠適應(yīng)不同傳感機(jī)制的通用平臺的電子皮膚對于有效模仿人類皮膚是非常理想的。

（3）第三，柔性電子器件是電子皮膚的固有要求，為了充分發(fā)揮其潛力，必須使現(xiàn)有的剛性平面電子器件具有柔性。納米材料的使用是該領(lǐng)域的一個潛在解決方案。

（4）基于電子皮膚的可穿戴設(shè)備的壽命取決于化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械耐久性。傳感性能的巨大改進(jìn)和可觀的耐用性是當(dāng)前所需。

（5）為了實(shí)現(xiàn)電子皮膚的經(jīng)濟(jì)制造，印刷非平面?zhèn)鞲衅魇且粭l有待探索的潛在途徑。

（6）從醫(yī)學(xué)角度來看，可穿戴器件的生物相容性是必要的；然而，這一領(lǐng)域仍然缺乏重要的研究關(guān)注。

（7）自供電電子皮膚是一種通過最大限度地減少能源使用來實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的新策略。電子皮膚的大面積低成本組裝需要即刻關(guān)注，這與柔性集成電子器件相結(jié)合，可以徹底改變醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健，增強(qiáng)人機(jī)交互。

總的來說，未來的研究應(yīng)該致力于制造柔性、可拉伸、自供電和自修復(fù)的電子皮膚，以將靈敏度與設(shè)備壽命相結(jié)合。除此之外，未來研究的重點(diǎn)是增強(qiáng)皮膚相容性、抗彎曲性以及基于微型多傳感平臺的電子皮膚的開發(fā)，這將使生物傳感成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

石墨烯基電子皮膚的廣泛應(yīng)用

人工智能（AI）正在改變我們對傳統(tǒng)治療方法及其各種操作的看法，從而有助于改善從常規(guī)任務(wù)到數(shù)據(jù)管理和藥物開發(fā)等一切任務(wù)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域總是抓住每一個改進(jìn)和發(fā)展的機(jī)會，目前正在選擇機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能用于其大部分任務(wù)，例如診斷、藥物開發(fā)、臨床試驗(yàn)療效、檢測、患者護(hù)理以及風(fēng)險(xiǎn)管理等。盡管人工智能正在迅速發(fā)展，但它也有一些局限性。其中一個主要的固有限制是數(shù)據(jù)，特別是“數(shù)據(jù)偏差”。機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)，特別是那些涉及檢測和診斷的應(yīng)用。例如，如果獲得的數(shù)據(jù)只反映某一特定人群，那么它可能不適用于一般人群，從而產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。另一種可能發(fā)生數(shù)據(jù)偏差的情況是，當(dāng)人工智能模型提供的數(shù)據(jù)不完整或不充分時，在這種情況下，特定的集群可能無法得到適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)模型需要關(guān)于一種現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)良好的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象隨著時間的推移保持相對穩(wěn)定。偏離這一點(diǎn)會導(dǎo)致“過度擬合”，即人工智能過度重視過去數(shù)據(jù)中的虛假相關(guān)性。

另一個令人擔(dān)憂的問題是人工智能取代醫(yī)生。智能醫(yī)療技術(shù)的存在主要是為了幫助醫(yī)生照顧病人，從而改善病人的管理，而不是完全取代他。傳統(tǒng)的身體檢查仍然需要醫(yī)生，尤其是在神經(jīng)病學(xué)等領(lǐng)域，這需要高水平的醫(yī)患互動和批判性思維。盡管最近的研究表明，人工智能和醫(yī)生提供的解決方案在觀點(diǎn)上有所不同，但在當(dāng)今，替代的可能性并不完全真實(shí)。

總體而言，未來的潛力在于制造低成本的大面積智能皮膚。石墨烯由于其結(jié)構(gòu)特征，是一種已被證明可用于制造基于多功能電子皮膚的可穿戴設(shè)備的材料，在仿生學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，電子皮膚可以將現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)和醫(yī)療保健發(fā)展到超出人類能力和范圍的程度。

審核編輯：劉清