手術(shù)室里,，穿著電子皮膚的機(jī)器人正在做手術(shù)，它將另一塊電子皮膚植入病人體內(nèi),。操作者是室外的醫(yī)生,，他可以感知到病人的細(xì)微反應(yīng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控患者術(shù)后的愈合情況……

這種科幻電影中的場(chǎng)景也許不久之后就會(huì)成為現(xiàn)實(shí),。近日,，中科院半導(dǎo)體所超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員沈國震課題組與中國人民解放軍總醫(yī)院教授姜?jiǎng)P合作,，研制出一種基于石墨烯材料的新型柔性觸覺傳感器,，實(shí)現(xiàn)了類似人體皮膚功能,，可快速感知微小壓力變化等，可應(yīng)用于軍事,、醫(yī)療健康等領(lǐng)域,。

電子皮膚比人“感覺”更靈敏。

比人“感覺”更靈敏

電子皮膚即新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器,，是一種用于實(shí)現(xiàn)仿人類觸覺感知功能的人造柔性電子器件,。

“它像人體皮膚一樣具有柔韌性，可以任意彎曲與變形,，能夠?qū)崿F(xiàn)仿人類觸覺感知的功能,。”沈國震在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示,，“對(duì)輕如羽毛,、小似米粒的物體停留在其表面所造成的觸覺，也能夠清晰地感知出來,，而且感應(yīng)速度極快?！?/p>

人類皮膚的感觸響應(yīng)時(shí)間為30~50 毫秒,，該器件響應(yīng)時(shí)間僅需5毫秒，而且靈敏度高達(dá)15.6kPa-1,并能夠循環(huán)工作10萬次以上,。從這些數(shù)據(jù)上看,，電子皮膚的“感覺”一點(diǎn)都不比人類的差。

“其實(shí),，相對(duì)于聽覺,、視覺而言，觸覺感官的模仿十分困難,?！鄙驀鹛寡裕?yàn)槟M觸摸感覺需要發(fā)展高空間分辨率、高靈敏度,、快速響應(yīng)和大尺寸的壓力傳感器陣列,，為了模仿自然皮膚的觸覺感知特性，必須發(fā)展大面積柔性高像素力傳感器陣列,。

明星材料登場(chǎng)

“石墨烯材料與可穿戴儀器最近兩年很火,，火到我們不由自主地想要把兩者結(jié)合起來，結(jié)果顯而易見,，效果非常好,。”沈國震特別強(qiáng)調(diào)了石墨烯的優(yōu)點(diǎn),。

傳統(tǒng)石墨烯由于其良好的導(dǎo)電性,，將其應(yīng)用在壓阻型柔性壓力傳感器中時(shí)，器件對(duì)壓力的電學(xué)性能變化并不明顯,。

“為了解決這一問題,，我們將石墨烯與聚偏氟乙烯納米纖維進(jìn)行復(fù)合形成三維網(wǎng)絡(luò)，使得器件電學(xué)性能可調(diào)性增強(qiáng),，更適于應(yīng)用在仿生電子皮膚領(lǐng)域,。”沈國震介紹說,。石墨烯與一維納米纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),，更有利于器件感受微小壓力的變化。

沈國震課題組雖然從事柔性電子學(xué)研究多年,，但初入電子皮膚領(lǐng)域時(shí),，還是遇到了很多問題。

“比如在研究基于石墨烯材料電子皮膚與健康監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用時(shí),，需要測(cè)試傳感器件在幾萬次循環(huán)工作后的傳感性能是否有變化以及傳感器在不同頻率壓力下的響應(yīng),，但實(shí)驗(yàn)室中又缺少相關(guān)的專業(yè)設(shè)備來測(cè)試?！鄙驀鹫f,。

當(dāng)科研人員正在苦悶的時(shí)候，突然想到如果將砝碼與斬波器相連,，利用斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)就有可能為器件提供長期穩(wěn)定不同頻率的壓強(qiáng),。經(jīng)過一番努力，課題組終于完成了器件在10萬次以上循環(huán)的測(cè)試,，獲得了能夠長期穩(wěn)定工作的器件,。

普遍應(yīng)用尚需時(shí)日

人造仿生電子皮膚作為可穿戴設(shè)備的一種，其研究和開發(fā)受到了不同學(xué)科研究人員的重視,。隨著研究的深入,，石墨烯,、碳納米管、導(dǎo)電聚合物等特殊材料因其超輕薄,、韌性強(qiáng),、電阻率小等優(yōu)良特性，被認(rèn)定為電子皮膚的優(yōu)良基底,。其發(fā)展趨勢(shì)主要集中在醫(yī)療,、人工智能以及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。

“目前這種仿生電子皮膚已經(jīng)被嘗試應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏跳動(dòng),、語音識(shí)別等人體生理信號(hào)的實(shí)時(shí)快速檢測(cè)?！苯?jiǎng)P告訴記者,。

例如，通過對(duì)人體說話時(shí)產(chǎn)生的微弱壓力變化以及通過對(duì)脈搏變化的分析,，可以初步實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別與人體不同生理狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè),，有望在語音輔助輸出系統(tǒng)、人體健康評(píng)價(jià)和疾病前期診斷方面獲得廣泛應(yīng)用,。

“對(duì)于許多燒傷燙傷患者,、截肢患者以及整容者來說，人造皮膚擁有觸覺可以給他們帶來很大的益處,?！苯?jiǎng)P介紹。

日本福島地震后,，由于輻射嚴(yán)重已不適宜人類工作,，本田公司為已有的機(jī)器人研制電子皮膚，使其能夠更好地感知周圍環(huán)境,，工作于核輻射最嚴(yán)重的區(qū)域,。此外，仿生電子皮膚在消費(fèi)電子,、軍事,、醫(yī)療健康乃至更為科幻的機(jī)器人“仿人體皮膚”等領(lǐng)域，都將為人類科技帶來革命性的突破,。

“不過，目前人造皮膚主要用于醫(yī)療方面,，并且成本較高,，應(yīng)用在其他領(lǐng)域尚需時(shí)日?！鄙驀鹛寡?。