神奇的電子皮膚

艾米·穆林斯（Almee Mullins）是一名運動員、模特，也是一名演員，但同時，她也是一位小腿截肢的殘疾人。憑借著非凡的毅力和堅強的內(nèi)心，以及每次出門都要攜帶的裝有20雙適合不同場合義肢的行李箱，艾米驚艷了世界，也成就了自己。顯然，義肢不僅僅成為她行動上的支撐，更成為了一種美學(xué)的裝飾。但是，當(dāng)前的義肢即使做的再精美華貴，在功能性和整體性上都不能與人體本身相提并論。而如今，電子皮膚（E-skin）的出現(xiàn)為義肢的發(fā)展，乃至人類醫(yī)療的發(fā)展提供了新的機遇。

豐富的感知功能

電子皮膚是一類具有多重感知能力的電子產(chǎn)品，通過采用柔性、可愈合材料作為基底，使其能夠向人類或者其他生物皮膚一樣同時具備感知和柔韌的特性。在科技發(fā)展的今天，科學(xué)家們對電子皮膚做出了相當(dāng)多研究，也催生出了許多實用性產(chǎn)品。

一家名為MC10的公司研發(fā)出了一款名為生物印章（BioStamp）的醫(yī)療監(jiān)測產(chǎn)品，通過這種柔性無線傳感器貼敷在人體的特定位置，就能夠?qū)崟r監(jiān)測睡眠時間、姿勢、心率曲線等生理參數(shù)。相比于智能手表的光電容積脈搏波描記法對心率的檢測，這種方式的精度更高，再配合物聯(lián)網(wǎng)的實時上傳功能，對用戶來說可謂意義重大，尤其是對于潛在心臟病患者，心電圖的準(zhǔn)確描繪能夠幫助他們提前預(yù)防心臟疾病的發(fā)生，并在發(fā)現(xiàn)后及時獲救。

受限于制作成本和電子皮膚本身的前景，當(dāng)前最為廣泛應(yīng)用的方向顯然是醫(yī)療領(lǐng)域。而隨著器件小型化進程的發(fā)展以及云處理能力的進一步提升，像生物印章之類的產(chǎn)品將會越發(fā)輕巧纖薄，能夠像人類皮膚一樣完全貼敷在人體表面也不再是天方夜譚。在2017年的美國消費電子展（CES）上，來自中國的Rotex公司展示出了一種名為電子文身的柔性電子產(chǎn)品。得益于平面電子產(chǎn)品制備技術(shù)的發(fā)展，這種電子產(chǎn)品非常纖薄，可以直接貼在人體的任意皮膚處，并且能夠有效地收集生理代謝物、體溫等身體信號。采用平面電子元件也帶給這種技術(shù)另外一個好處——它能夠兼容目前市面上的卷對卷的制備工藝，從而實現(xiàn)制備成本的下降。

通過對電子皮膚的功能進行特殊設(shè)計，小小的電子皮膚可以對人體和外界的多種信息進行采集和傳輸。除冷熱、濕度、觸覺這些皮膚本身所擁有的功能之外，嗅覺和聽覺這些本不屬于皮膚功能的部分也可以被集成到電子皮膚的序列當(dāng)中。更神奇的是，某些人類本身所不具有、而其他生物具有的感受能力，如磁感受能力甚至也能加入其中。搭配上目前已經(jīng)實現(xiàn)的人體自主控制的人造肢體，如美國國防部先進技術(shù)局（DARPA）生產(chǎn)的LUKE仿生假肢，某些殘疾的人即可獲得靈活的肢體控制和全面的感知系統(tǒng)，從而變得比正常人更加強大。因此，從功能性的角度來看，電子皮膚的能力或?qū)⒃诓贿h的將來遠超人類皮膚，它將賦予人類更多、更強大的功能。

強大的自愈能力

得益于細胞的全能性，人體在一定的損傷范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)在功能和外觀的自我修復(fù)。比如手指被割破后幾分鐘，血管中聚集的纖維蛋白大分子和血小板就能構(gòu)建起一道密集的血栓來阻止血液外流;而在之后的很長一段時間里，纖維細胞和纖維蛋白就像織布一樣重新修復(fù)傷口部位;最后經(jīng)過皮膚組織的更替，受傷部位的皮膚跟周圍的就再難看出差別了。認識了人體修復(fù)的基本原理后，科學(xué)界受到啟發(fā)也提出了電子皮膚自我修復(fù)的理論。

首先，大部分柔性材料本身的有機聚合物體系就是通過長鏈的聚合物分子纏結(jié)形成的，在條件（如溫度和濕度）允許的情況下，材料本身就可以通過動態(tài)共價鍵或者非共價鍵的再生以及聚合物鏈在受損界面的重新纏結(jié)來重建。其次，即使某些聚合物本身無法實現(xiàn)自愈，通過事先添加愈合劑到電子皮膚的基底材料當(dāng)中也能夠使其在受到損傷后完成一定次數(shù)的愈合。

從效果上來看，電子皮膚的自愈能力和人類皮膚相比仿佛沒什么優(yōu)勢，甚至還有損壞主要電路后無法恢復(fù)正常工作的可能性，但是要知道，化合物的自愈條件是可以通過調(diào)整材料體系實現(xiàn)人為控制的。許多人體無法正常恢復(fù)的環(huán)境，如高溫、高濕度、高鹽濃度的條件下，環(huán)境本身對于傷口就存在著二次傷害的危險，而自愈材料的恢復(fù)條件較為寬泛，甚至可以人為地創(chuàng)造條件。另外，相對于人體表皮自愈，電子皮膚的自愈時間也往往更為簡短。來自天津大學(xué)的科研團隊研制成功的“全天候自愈合材料”就具備這種超強的環(huán)境兼容性，在24小時恢復(fù)時間的對比實驗下，無論是在零下40℃的低溫下，亦或是在過冷高濃度鹽水中，甚至是在強酸強堿的環(huán)境中，該電子皮膚材料都能夠?qū)崿F(xiàn)50%～90%的自愈效率，并且不會損失太多的性能。

生物進化的初衷是為了能夠生存下去、適應(yīng)環(huán)境的變化，而人類在如今的時代中不僅能夠利用條件適應(yīng)環(huán)境，還能夠通過工具有效地改造環(huán)境使其更適合人類生存。自然在人類進化中的推動作用在逐漸減小，而電子皮膚這一新興人類文明產(chǎn)物將促使人類文明與電子文明進一步融合，賦予人類更為有力的工具去探索和改造未知的世界。

（摘自《科學(xué)大世界》）