鮑哲南院士，再發(fā)重磅Science：這次來真的感覺！

人造皮膚可以同時(shí)模仿自然皮膚的感官反饋和機(jī)械特性，這對(duì)下一代機(jī)器人和醫(yī)療設(shè)備具有很大的前景。然而，實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)可以與人體無縫集成的仿生系統(tǒng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
2023年5月18日，斯坦福大學(xué)鮑哲南團(tuán)隊(duì)在Science 在線發(fā)表題為“Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin”的研究論文，該研究通過對(duì)材料性能、器件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)架構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和工程化，開發(fā)了一種單片軟性假肢電子皮膚(e-skin)。它具有多模態(tài)感知、神經(jīng)形態(tài)脈沖序列信號(hào)生成和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)功能。利用三層高介電常數(shù)彈性介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了與多晶硅晶體管相當(dāng)?shù)牡蛠嗛撝禂[動(dòng)、低工作電壓、低功耗以及可拉伸有機(jī)器件的中等規(guī)模電路集成復(fù)雜性。該電子皮膚模擬了生物感覺運(yùn)動(dòng)回路，當(dāng)施加壓力增加的刺激時(shí)，固態(tài)突觸晶體管會(huì)引發(fā)更強(qiáng)烈的驅(qū)動(dòng)。

皮膚作為人體與周圍世界之間的主要界面和保護(hù)層起著至關(guān)重要的作用。皮膚的感官能力和機(jī)械柔軟性的結(jié)合不僅使人們能夠毫不費(fèi)力地感知和響應(yīng)各種外部刺激，而且還使人們能夠在動(dòng)態(tài)和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。遺憾的是，遭受皮膚損傷或截肢的患者可能會(huì)有嚴(yán)重的感知-行動(dòng)回路紊亂，導(dǎo)致他們甚至在簡(jiǎn)單的任務(wù)(如抓取物體)中存在困難。雖然假肢可以部分恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，但其局限性—如幻肢痛、不受控制的運(yùn)動(dòng)和較差的靈活性—需要通過結(jié)合感覺反饋和組織順應(yīng)性來解決。復(fù)雜的硅(Si)電路已被開發(fā)用于模擬周圍神經(jīng)系統(tǒng)，并在假肢和機(jī)器人技術(shù)中體現(xiàn)類似皮膚的感知能力。然而，構(gòu)建一個(gè)單片集成的軟電子皮膚(e-skin)，將所需的電氣和機(jī)械特征結(jié)合在一個(gè)單一的設(shè)備平臺(tái)上仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管在柔性電子和電路制造方面取得了進(jìn)步，但它們?cè)陔娮悠つw中的應(yīng)用僅限于有源矩陣陣列。盡管壓電、摩擦電和離子壓力傳感器可以根據(jù)施加的力的頻率產(chǎn)生類似脈沖序列的信號(hào)模式，但生物感覺受體使用頻率調(diào)制信號(hào)來編碼輸入的幅度信息。這需要信號(hào)數(shù)字化和調(diào)整電路將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為尖峰序列信號(hào)模式，并需要人工突觸調(diào)節(jié)電流振幅以觸發(fā)身體運(yùn)動(dòng)。

▲低壓驅(qū)動(dòng)人造軟電子皮膚系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿生雙向信號(hào)傳輸（圖源自Science ）由于軟電子產(chǎn)品具有良好的組織順應(yīng)性、最小的侵入性和不可感知性等優(yōu)點(diǎn)，因此構(gòu)建一個(gè)單片軟電子皮膚系統(tǒng)是可取的。為了滿足具有生物整合獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的軟電子皮膚系統(tǒng)的嚴(yán)格要求，現(xiàn)有的軟電子產(chǎn)品需要克服幾個(gè)基本的挑戰(zhàn)。在材料層面，它們需要具有類似組織的機(jī)械性能和在生理環(huán)境中的優(yōu)異穩(wěn)定性。在器件層面，需要使用具有優(yōu)異電子特性的低工作電壓進(jìn)行安全高效的體上操作。在系統(tǒng)層面，需要具有足夠晶體管數(shù)量、邏輯深度和功能復(fù)雜性的信號(hào)調(diào)理電路。最后，在應(yīng)用層面，柔軟的電子皮膚需要對(duì)感覺信息進(jìn)行仿生編碼，并在設(shè)備-生物界面上進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)自然感覺和低功耗。通過合理的材料設(shè)計(jì)和器件工程，該研究開發(fā)了了一個(gè)單片集成的軟電子皮膚系統(tǒng)，沒有剛性的電子元件，具有低驅(qū)動(dòng)電壓、高電路復(fù)雜性和仿生感官反饋功能。該研究中所描述的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)在一個(gè)單一的設(shè)備平臺(tái)中結(jié)合了皮膚所有所需的電氣和機(jī)械特征。這一進(jìn)展為下一代假肢皮膚、人機(jī)界面和神經(jīng)機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

來源：腦機(jī)接口社區(qū)

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