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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員沈國(guó)震課題組與中國(guó)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。

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(guó)震在接受《中國(guó)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。”

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。”沈國(guó)震坦言，因?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(guó)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(guó)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(guó)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。”沈國(guó)震說。

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(zhǎng)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(zhǎng)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)。”姜?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。”姜?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。”沈國(guó)震坦言