作為能讓機器人產(chǎn)生真實觸感的系統(tǒng)，電子皮膚大大了機器人的柔韌性和延展性，卻無法做到像人類皮膚一樣對疼痛做出反應(yīng)。不過，一組澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）的研究團隊近日宣布：通過設(shè)計三種功能完備的皮膚感受器，電子皮膚終于也能感受到疼痛刺激了。

2020 年 9 月 1 日，該團隊題為 Artificial Somatosensors: Feedback Receptors for Electronic Skins（人工身體傳感器：電子皮膚的反饋受體）的研究成果發(fā)表于期刊 Advanced Intelligent Systems（先進智能系統(tǒng)）。

我們都知道，皮膚就是披覆在人體表層、直接與外界環(huán)境相接觸的組織。實際上，遍及全身的皮膚是人體的器官，具有保護身體、排汗、感知冷熱與壓力等功能。

能夠感知到外界信息變化，主要原因就在于皮膚由復(fù)雜的傳感器組成。每當(dāng)傳感器到刺激，將會迅速向中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出信號，產(chǎn)生反應(yīng)。

基于上述特性，旨在通過模擬人類皮膚傳感功能實現(xiàn)甚超越其性能的「電子皮膚」應(yīng)運而生。除了機器人領(lǐng)域，電子皮膚在人工義肢、醫(yī)療和診斷等方面也展現(xiàn)出了應(yīng)用前景。

近年來，人們對電子皮膚提出了更高的要求，電子皮膚已然發(fā)展到了超薄、可拉伸、可進行多參數(shù)的地步。

比如 2013 年，加州大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出了能在一毫秒內(nèi)迅速響應(yīng)的「互動壓力傳感器皮膚」——一塊沉積了一層薄聚合物、一層晶體管、一個有機 LED、一個壓力傳感器的硅晶片。

2014 年，德州大學(xué)奧斯汀分校科學(xué)家研發(fā)出了長 4 厘米、寬 2 厘米、厚 0.003 厘米的電子皮膚，這一內(nèi)置了溫度傳感器、抗低壓 RAM、微尺度換熱器的可伸縮高分子材料，能通過靜電力吸附在我們的皮膚上，用于幫助治愈帕金森癥及癲癇癥患者。

2017 年，中科院半導(dǎo)體研究所設(shè)計的超薄電子皮膚具有微米級超薄可拉伸襯底及蛇形電極結(jié)構(gòu)，不僅不易被損壞，還能對人體脈搏、語音、呼吸、體表溫度等生理信號進行實時快速監(jiān)測。

然而，電子皮膚發(fā)展今，還不能真實地模擬人類對于疼痛感的反應(yīng)，而這恰好是上述 RMIT 研究團隊的切入點。

在論文中，研究團隊主要展示了三個關(guān)鍵的皮膚感受器：環(huán)層小體、熱感受器和痛覺感受器。

這里需要解釋的是，環(huán)層小體（lamellar corpuscle）又名潘申尼小體（pacinian corpuscle），呈卵圓形或球形，直徑 1-4mm。在生物體中，它廣泛分布在皮下組織、腸系膜、韌帶和關(guān)節(jié)囊等處，主要作用是感受壓覺和振動覺。

不難看出研究團隊的主要目的——設(shè)計一款能感受壓力、溫度、疼痛的電子皮膚。

我們可以將上述三種感受器理解為多種功能單元的組合，包括：

• 基于貧氧鈦酸鍶的決策型憶阻器（鈦酸鍶是一種無機化合物，分子式為 SrTiO3，可用作電子陶瓷材料和人造寶石）；

• 基于可拉伸金彈性體（聚二甲基硅氧烷）的壓力傳感器；

• 基于相變氧化物（釩氧化物）的溫度觸發(fā)器。

  
  

研究團隊還表示，制造過程不需要單獨、復(fù)雜的熱電模塊或是用于概念體感器實際翻譯的壓電壓力傳感器。

值得一提的是，這項研究已獲得臨時專利，而在這項研究中，還結(jié)合了該團隊先前已獲專利的三項技術(shù)，具體包括：

• 可拉伸電子產(chǎn)品：將氧化物材料與生物相容性有機硅相結(jié)合，可提供透明、堅固的可穿戴電子產(chǎn)品，只有一張紙那么厚。

• 具有溫度反應(yīng)性的涂層：一種比頭發(fā)絲細 1000 倍的涂層，由一種能對溫度產(chǎn)生反應(yīng)的材料制成。

• 模仿大腦記憶的電子細胞：可模仿大腦長期記憶，回憶、保留先前的信息。

論文中，研究團隊展示了三種感受器的工作流程。

a 部分是三個感受器接收到刺激的情況：感受器通過灰質(zhì)后角連接到脊髓，脊髓將信息傳遞給大腦。信息傳遞有兩個通道，分別用于壓力（藍色部分）和溫度（紅色部分）。當(dāng)壓力、溫度或疼痛達到設(shè)定閾值時，三個感受器的存儲單元都將觸發(fā)響應(yīng)。

具體到各個感受器，環(huán)層小體未受刺激時，兩路均為中等電流（b 部分）；環(huán)層小體受到壓力時，顯著的大電流通過憶阻器（c 部分）。

無溫度施加時，熱感受器和痛覺感受器無電流流過憶阻器（d 部分）；當(dāng)溫度作用時，熱感受器和痛覺感受器會在憶阻器中觸發(fā)導(dǎo)電燈絲，產(chǎn)生大電流（e 部分）。

終，研究團隊證明了這款電子皮膚具有對超出閾值的壓力、溫度、疼痛刺激做出真實表現(xiàn)特征及反應(yīng)的能力。

對此，RMIT 功能材料和微系統(tǒng)小組聯(lián)合負責(zé)人、論文合著者之一 Madhu Bhaskaran 教授表示：

疼痛感應(yīng)電子皮膚是朝著下一代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和智能機器人技術(shù)發(fā)展的重大進步，也是未來反饋系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵一步，我們需要交付真正的智能假肢和智能機器人。

Madhu Bhaskaran 教授還做了一番展望：未來若傳統(tǒng)的皮膚感應(yīng)方法不再可行，可拉伸電子皮膚也可能成為非侵入性皮膚移植的一種選擇。

自然，我們可以大膽想像一下，未來機器人也會有痛覺。