如今可能人人都聽(tīng)過(guò)“黑科技”這個(gè)詞。在知乎上有這樣一個(gè)問(wèn)題：你所知道的最“黑”的“黑科技”是什么？

有人認(rèn)為是能在火星移民時(shí)派上用場(chǎng)的“人造光合作用”技術(shù);有人覺(jué)得應(yīng)該給受鼻涕蟲(chóng)啟發(fā)的新型器官?gòu)?qiáng)效止血材料投上一票;有人按字面意思答題，認(rèn)為一種能吸收99.96%光線的新材料可以說(shuō)是“黑”到失蹤了;也有人提到，一種仿動(dòng)物皮膚的柔韌、可拉伸、可自愈電子產(chǎn)品——電子皮膚應(yīng)該擁有一席之地。

電子皮膚，具體能做什么？

電子皮膚有這樣兩類意義：第一，在人工義肢、醫(yī)療檢測(cè)和診斷等方面，它可以協(xié)助假肢理解觸摸、彎曲或按壓等動(dòng)作，幫助配有假肢的群體恢復(fù)對(duì)外界的真實(shí)感知。這一點(diǎn)吻合人造皮膚領(lǐng)域的材料大師、化學(xué)家、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系系主任鮑哲南投身電子皮膚領(lǐng)域時(shí)的初心——讓人類更加人性化（Make human more human）。第二，電子皮膚能應(yīng)用于機(jī)器人，提升機(jī)器人的柔韌性和延展性，甚至讓機(jī)器人像人類一樣在面對(duì)疼痛時(shí)做出反應(yīng)。

電子皮膚“進(jìn)化史”

最 近，學(xué)術(shù)期刊《自熱》的“科技特寫”（Technology Feature）專欄中，一篇題為《Electronicskin： from flexibility to a sense of touch》（《電子皮膚：從柔韌性到觸覺(jué)》）的文章復(fù)盤了電子皮膚的發(fā)展及蝶變史。

其實(shí)，電子皮膚的研究最早源于電子閱讀器和曲面電視中的組件。研究這些組件的是致力于柔性碳基分子或聚合物導(dǎo)電研究的科學(xué)團(tuán)隊(duì)。

概括來(lái)講，有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域研究人員旨在研究用于顯示和照明的有機(jī)發(fā)光二極管、用于顯示底板和大面積電子器件的晶體管以及用于太陽(yáng)能收集的光伏電池。在某種程度上，以上設(shè)備都將受益于其形式的靈活性。如何實(shí)現(xiàn)所謂“形式的靈活性”，研究人員將目光放在了我們今天常說(shuō)的可穿戴電子產(chǎn)品上。

研究人員最早在2004年成功實(shí)踐了這一構(gòu)想。當(dāng)時(shí)，日本東京大學(xué)工程學(xué)院電氣與電子工程系教授TakaoSomeya及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)研究成果。論文顯示，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種8厘米×8厘米的柔性機(jī)器人皮膚貼片，由多層高性能、壓力感應(yīng)的聚酰亞胺塑料、有機(jī)半導(dǎo)體并五苯和幾層金、銅電極組成，內(nèi)置一個(gè)微型壓力傳感器陣列。這種電子皮膚即使被包裹在一個(gè)4毫米厚的圓柱形棒上，也能保證電流不間斷，就像一個(gè)柔韌的電路板。

Takao Someya表示：“我們采用了一種主動(dòng)矩陣，做出了開(kāi)發(fā)柔性顯示器的驅(qū)動(dòng)電路，它賦予了機(jī)器人一種從未有過(guò)的東西——觸覺(jué)，即對(duì)壓力做出反應(yīng)的能力。”次年，Takao Someya團(tuán)隊(duì)通過(guò)將相對(duì)堅(jiān)硬的聚酰亞胺聚合物紡成線，然后再紡成網(wǎng)，使得電子皮膚擁有了彈性和舒適度。

將電子皮膚用于抗疫

說(shuō)起抗擊新冠肺炎疫情，你可能很難想到，材料科學(xué)家也沖在了最前線。

1 995年，美國(guó)材料科學(xué)家、物理化學(xué)家John A. Rogers獲得了麻省理工學(xué)院（MIT）物理化學(xué)博士學(xué)位。1997年，他加入貝爾實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理研究部門，隨后進(jìn)入美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校成為工程學(xué)系創(chuàng)始人。

如今，作為美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程和神經(jīng)外科教授，John A.Rogers領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)關(guān)注開(kāi)發(fā)柔軟、有彈性、類皮膚材料的研究團(tuán)隊(duì)。

2019年11月，John A.Rogers團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究成果，展示了一種可進(jìn)行藍(lán)牙連接的聚合物電路設(shè)備。將這一設(shè)備放在喉嚨底部凹陷處，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)說(shuō)話、心率等生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)控。除此之外，設(shè)備還能為患有中風(fēng)的人群提供言語(yǔ)治療方面的輔助。在2020年新冠肺炎疫情肆虐期間，這種電子皮膚經(jīng)定制設(shè)計(jì)后，被應(yīng)用于美國(guó)芝加哥市的病毒早篩、病情監(jiān)測(cè)等工作。

實(shí)際上，John A.Rogers是世界上最多產(chǎn)的可穿戴皮膚電子研究者之一。西北大學(xué)官網(wǎng)顯示，他曾發(fā)表過(guò)750余篇論文，發(fā)明100多項(xiàng)專利。John A. Rogers團(tuán)隊(duì)的電子皮膚研究已在全球各地得到了應(yīng)用，例如監(jiān)測(cè)早產(chǎn)兒的生命體征和運(yùn)動(dòng)員的水合作用，使得機(jī)器人獲得更加細(xì)微、類似人類的觸感。

研發(fā)與突破

目前，可穿戴設(shè)備的研發(fā)存在兩類挑戰(zhàn)：一是工程師如何解決化學(xué)問(wèn)題，二是化學(xué)家如何解決工程問(wèn)題。這一觀點(diǎn)來(lái)自于英國(guó)劍橋大學(xué)生物電子學(xué)教授 George Malliaras。在他看來(lái)，電極和人之間保持接觸并不容易，因?yàn)槠つw會(huì)隨著人的移動(dòng)受到拉伸，出現(xiàn)褶皺和彎曲。要固定電極，其實(shí)可以用到凝膠，但由于凝膠是水溶液，隨著時(shí)間的推移會(huì)慢慢變干，因此其穩(wěn)定性存在較大的問(wèn)題。

為此，George Malliaras團(tuán)隊(duì)想到了另一種可能的溶液——離子液體。原因就在于，離子液體由室溫下呈液態(tài)的鹽組成，蒸發(fā)速度慢，且導(dǎo)電性能好。

2014年，George Malliaras團(tuán)隊(duì)將一種名為1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸酯的離子液體與一種聚合物結(jié)合，創(chuàng)造了一種能夠容納金電極和導(dǎo)電聚合物的凝膠。這一裝置的電性能可維持3天。

雖然這一研究成果已經(jīng)取得突破，但值得一提的是，東京大學(xué)Takao Someya團(tuán)隊(duì)指出，George Malliaras團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的這類設(shè)備會(huì)擋住汗液，阻礙空氣交換，佩戴時(shí)會(huì)讓人感到不適，同時(shí)它也很脆弱，不能長(zhǎng)期使用。為此，2017年，Takao Someya團(tuán)隊(duì)又提出了一種多孔傳感器的想法。這種傳感器使用的是厚度僅300～500納米的金纖維網(wǎng)，包括一個(gè)類似意大利面形狀的聚乙烯醇（PVA）網(wǎng)狀物及金電路圖案。這種電子皮膚柔韌、透氣，使用者甚至毫無(wú)佩戴感。

去年11月，在騰訊科學(xué)WE大會(huì)上，鮑哲南在演講中談到了實(shí)現(xiàn)人造皮膚的三大挑戰(zhàn)：第一，所用的電子材料必須做成像皮膚一樣柔軟，像皮膚一樣可拉伸，甚至可自修復(fù)、可生物降解;第二，人造皮膚需要真正感知到壓力、溫度，并可以細(xì)膩地感受到不同的物體;第三，人造皮膚的信號(hào)需要能夠和人體結(jié)合起來(lái)。

不同于上述幾位該領(lǐng)域“大咖”的研究思路，鮑哲南的團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有從傳感器入手，再將傳感器與皮膚兼容，他們采用了分子方法，從一開(kāi)始就考慮到電子皮膚的靈活性，設(shè)計(jì)有機(jī)聚合物和電子元件。

正如鮑哲南所言：“我們從分子水平設(shè)計(jì)它們，使得類似皮膚的特性成為新材料的固有特性?！北热?，該團(tuán)隊(duì)曾開(kāi)發(fā)了一種可以感知汗液中激素變化（特別是皮質(zhì)醇水平變化，皮質(zhì)醇是衡量壓力大小的重要指標(biāo)，可用來(lái)幫助理解焦慮和抑郁）的原型。同時(shí)，這一原型也可用來(lái)制造植入人體的有機(jī)電子設(shè)備，以幫助修復(fù)受損的神經(jīng)。

具體來(lái)講，鮑哲南團(tuán)隊(duì)曾用一系列具有不同導(dǎo)電性能和生物降解性的聚合物來(lái)制造電子皮膚。

早在2010年，他們就用彈性聚合物PDMS開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)壓力微小變化的皮膚，用以模擬觸覺(jué)。該團(tuán)隊(duì)將這一技術(shù)應(yīng)用到一種特殊的手套中。人們戴上手套后，輕輕按壓覆盆子，并不會(huì)將其壓碎。

此后，鮑哲南進(jìn)一步發(fā)展了這一技術(shù)：讓傳感器在體內(nèi)工作。2019年，鮑哲南團(tuán)隊(duì)介紹了一種可降解的無(wú)線傳感器，這種傳感器可以包裹在血管上，在手術(shù)后持續(xù)監(jiān)測(cè)血流。為了讀出信號(hào)（血液脈沖穿過(guò)動(dòng)脈時(shí)電容的變化），團(tuán)隊(duì)在皮膚附近安裝了一個(gè)外部線圈，將無(wú)線電信號(hào)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收器中。此后，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)則是讓這些傳感器覆蓋身體的更多部位，同時(shí)保持細(xì)胞分辨率。

上述研究成果可能代表了電子皮膚領(lǐng)域的最前沿的成就，但全球的科學(xué)家在這一領(lǐng)域的努力絕不僅限于此。監(jiān)測(cè)囊性纖維化患者的汗液生物標(biāo)記物、檢查皮膚疾病患者的皮膚水合情況、評(píng)估黑色素瘤患者的紫外線暴露情況、跟蹤皮膚和假肢之間壓力和溫度的情況等，都是電子皮膚已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的突破。

值得注意的是，即便電子皮膚近年來(lái)發(fā)展迅速，但擺在科學(xué)家眼前的仍是重大的化學(xué)和工程挑戰(zhàn)。漫漫科研路，道阻且長(zhǎng)，我們期待未來(lái)出現(xiàn)更多電子皮膚領(lǐng)域突破性的成果。