人工皮肤让假肢也有触觉

人类的手指正在触摸机器人的手指。金色“指尖”上的半透明塑料和黑色装置是斯坦福大学工程师开发的一种皮肤状传感器。这种传感器可以检测压力并将压力感传递给神经细胞。这项研究的目标是开发一种嵌入了微型传感器的人造皮肤，给人造肢体一些人类皮肤的感觉。(照片来源:包振安实验室)

斯坦福大学的工程师已经开发出一种塑料“皮肤”，可以检测到施加了多大的压力，并产生一种电信号，将这种感觉输入信号直接传递给脑细胞。

斯坦福大学的化学工程教授包振安花了10年时间研发一种材料，这种材料可以像人类皮肤一样自我弯曲和愈合，还可以用作传感器网络，向大脑传输触觉、温度和疼痛信号。包振安教授最终想开发一种嵌入传感器的柔性电子织物，它能覆盖假体表面并具有一些真正的皮肤感觉功能。

这一次发表在《科学》杂志上的结果让包振安离目标又近了一步。她再现了触摸的一个方面。这些传感器使我们能够区分轻微握手和有力抓握的不同压力。

包振安解释道:“这是第一次一种类似皮肤的柔性材料成功地检测到压力并将信号传递给神经系统的一部分。”她带领一个17人的研究团队取得了这一成就。

数字触摸

这项技术的核心是双层塑料结构:顶层具有传感器的功能，而底层充当传导回路，传输电信号并将其转换成与神经细胞相容的生化刺激。在这项新的成就中，顶层作为一个重要的传感器，可以检测到与人类皮肤相同的压力，从手指的轻触到有力的握手。

五年前，包振安研究小组的成员首次描述了如何使用塑料和橡胶作为压力传感器，通过测量它们在分子结构中的自然弹性。之后，他们将薄塑料压成网格状，进一步压缩塑料的分子弹簧，提高对压力的敏感度。

为了以电子方式利用这种压力传感特性，研究小组在这种网格塑料中分散了数亿个碳纳米管。如果对塑料施加压力，纳米管将被挤压得更紧，并能导电。

这使得塑料传感器能够模拟人体皮肤，人体皮肤能够以短电脉冲(类似莫尔斯电码)的形式向大脑传输压力信息。如果施加在纳米管上的压力增加，它们将被挤压得更紧，更多的电流将被允许流过传感器。此外，这些具有不同强度的电脉冲将会以短脉冲的形式传递到感觉机制。如果压力减轻，脉搏也会减轻，表示轻微的触摸。如果所有的压力都消除了，脉搏就完全消失了。

后来，研究小组将这种压力感应机制整合到他们人造皮肤的第二层。第二层人造皮肤是一个柔性电子电路，可以将电脉冲传输到神经细胞。

导入信号

包振安的研究团队一直在研究弯曲时不会断裂的柔性电子产品。在这个项目中，团队成员与帕洛阿尔托研究中心(PARC)的研究人员合作。PARC有一项技术可以使用喷墨打印机在塑料上打印柔性电路。为了使人造皮肤实用，重要的是覆盖一个巨大的表面，与PARC的合作为此提供了可能性。

最后，研究小组还需要证明电信号可以被生物神经元识别。他们采用了卡尔·戴瑟罗顿开发的技术。卡尔·戴瑟罗顿是斯坦福大学的生物工程教授。他开创了一个结合了遗传学和光学的领域，叫做光遗传学。研究人员使用生物工程技术来处理细胞，使它们对特定的光频率敏感。然后他们使用光脉冲来开启或关闭细胞或细胞内的过程。

为了这项研究，研究人员设计了一个神经元来模拟人类神经系统的一部分。他们将人造皮肤上的电子压力信号转换成光脉冲来激活神经元，证明人造皮肤可以产生与神经细胞相容的感觉输出。

包振安说，光遗传学仅用于实验证明人工皮肤的概念，其他神经刺激方法可能用于实际的假体装置。鲍振安的团队与斯坦福大学化学副教授崔合作，证明电脉冲可以直接刺激神经元。

包振安的团队希望开发不同的传感器来复制皮肤的某些能力，比如区分灯芯绒和丝绸，或者一杯冷水和一杯热咖啡。这需要很多时间。人类手中有六种生物感应机制，而《科学》杂志上描述的实验只成功实现了其中一种。

然而，目前的两层结构意味着当新机制开发出来时，研究团队可以增加额外的传感器。此外，这种喷墨印刷制造工艺还表明，传感器网络可以沉积在柔性层上，并且这些柔性结构可以在假体上*弯曲和拉伸。

“要实现这一成就的实际应用，还有许多工作要做。然而，经过多年的研究，我已经知道人工皮肤的研究在未来会走向何方。”包振安说。