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电子皮肤或成为智能可穿戴设备最厉害的技术应用
形状
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电子皮肤或成为智能可穿戴设备最厉害的技术应用电子皮肤或成为智能可穿戴设备最厉害的技术应用

如今,可穿戴智能设备已经普及,相信每个人都听说过智能眼镜、智能手表、智能腕带等等,但要说最牛的智能可穿戴设备,应该当属电子皮肤。

电子皮是一种能够产生触觉的超薄电子器件。一般人的印象中,硬件一般都是硬质和有一定形状,而电子皮肤则是软如皮肤的硬件,可以加工成各种形状,用途非常广泛。例如,它可以附着在设备表面作为一种外衣(如机器人外衣),也可用于遭受严重皮肤创伤的人体修复手术(如烧伤或皮肤疾病)。这款新的人造皮肤能够感知外部压力、温度等的变化,并通过电路向大脑发出信号,产生一种接近真实的触觉。它的敏感性很高,甚至可以感觉出20毫克蚂蚁的重量!这样一种高科技是如何实现的呢?

第一,我们对电子皮肤做一个简单的“解剖”,它主要由三个部分组成:感应器,信号转换和传输电路,以及具有特殊蛋白质的神经细胞。电子皮肤就是通过这三种元件来实现触觉信号的接收、转换和传输。别小看这三个元素,它们每个都有来头。

首先是感应器,它是皮肤的电子受体。感觉外部环境不同所需要的传感器也不同,例如,压力传感器能够感觉到压力的变化并将其转化为电阻,从而实现从压力信号到电子信号的转变。常用的压力传感器有电容式和电阻式两种。

一般情况下,电容式传感器通过改变两平行板电极之间的距离来改变电容的大小,使传感器具有良好的灵敏度和线性度。该电容式传感器可以是固体聚合物、微结构弹性纤维或空气介质。感应器采用两种机制:内部材料的压电性电阻(中间)或结构化导体与电极之间的接触电阻(底部)。首先,施加压力可以改变半导体的能带结构,或者改变聚合物成分中导电填料的分布,从而引起电阻的变化。但一般压阻聚合物复合材料的温度敏感性和压力敏感性较低,存在较大的滞后和干扰。研究人员研究了依靠调制的接触电阻式传感器。在导体与电极之间,由于接触面积的改变而引起的接触电阻的变化,并非与生俱来的温度敏感性,所以可以将温度影响降到最低。另外,由于接触电阻是一种表面效应,设备可以变得很薄,从而提 高灵活性和可塑性,减少元件间的串扰,使接触电阻传感器受到广泛的青睐。

接收信号后,有一条转换和传输电路。能将电阻的变化转化为电脉冲信号,并能随压力的增大而提高电脉冲频率。感觉区域的感觉和大小由脉冲的大小控制。变换激励幅度,放大器就能放大阵列记录的信号。另外,还设计了用于控制刺激的波形。该数据传输模块具有灵活、可扩展的互连,能够记录、转换和传输传感器向神经组织传递的信号。

最后,科学家们通过光纤耦合激光器或弹性彩色发光二极管阵列(LED),将电讯信号转换成光信号,然后传送到包含一种蛋白的特殊神经细胞,即特定视蛋白(光敏蛋白),该蛋白能吸收光信号并将其转换成神经电信号,从而在诸如脑皮层感觉神经元等潜在界面和神经元中引入发光刺激,从而实现了神经信号传递。

以上三步已经完成,电子皮肤也就实现了“触觉”的传递过程!同时,科学家也在努力研究电子皮肤,并赋予它更多的功能,如弹性、耐久性、与人体组织的相容性、舒适性等等,为人类提供更多的帮助,使皮肤的功能得到自然延伸。

世界范围内有10亿多残疾人,亚洲有6亿,中国有8500万残疾人,其中30%为肢体残疾。传统义肢存在着很大的局限性,而“电子皮肤”的出现将成为医学领域的重大技术创新,给数百万患者的肢体“再生”带来希望。另外,电子皮肤的应用不仅限于假肢,还涉及到其它领域,如人体健康,可测血压、心率等。奥斯汀的得克萨斯大学的研究人员宣布,他们已经研发出了一种新的“电子皮肤”,这种只有0.3毫米厚度的可穿戴设备可以贴在人的皮肤上,然后精确地检测并记录穿着者的体征数据,同时它还可以把数据上传到计算机中,甚至可以直接将药物传送到人体。

斯坦福大学对电子皮肤温度传感器进行了研究。随着温度的变化,该材料可产生电流,并且该材料的电阻率随着外界物体接触皮肤而变化。这个皮肤可以用来测量体温。

除了在医学领域的应用外,电子皮肤也是一种“智能表层”。理论上讲,这种技术可以应用于人与人机交互的场合。

尽管有许多科学问题需要解决,但是电子皮肤可以在将来实现。电性肌肤可以与人类自然肌肤完全兼容,为人类肌肤提供必要的呵护;各种创伤都能通过电性肌肤修复,肌肤的色泽、纹理都能随人心意改变,让我们共同期待电性肌肤技术的革命性突破!

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