讓機器人擁有觸感的電子皮膚。

美國青蛙設計公司設計的一款名為“Dattoo”的設備。

由納米墨水製成的導電紋身。

能感知一隻蝴蝶停在上面的壓力的電子皮膚。

可剝落的電子錶皮。

　　新 視 野

　　據美國物理學家組織網近日報道，繼高靈敏度和自我發電兩大創新之後，美國斯坦福大學的女科學家鮑哲南領導的團隊為人造電子皮膚新添了透明和可拉伸功能，讓人造電子皮膚朝人類真實皮膚更近了一步。

　　這是人類對人造皮膚進行研究獲得的最新成果。目前，有很多科研團隊在人造皮膚的研究上大做文章，研究成果也紛至沓來，比如可監測病人心率甚至腦電波的“電子紋身”、可作為電子接口聯通人和機器的人造皮膚等等，美國《大眾科學》雜誌網站近日就此為我們進行了梳理。

　　皮膚的功能越來越多樣

　　在所有人類器官中，皮膚常常被我們忽視和胡亂對待，但是，皮膚非常可靠，它是我們的身體器官和組織的“保護神”，通過傳遞各種感覺幫助我們避免傷害，確保我們身處合適的溫度和環境下。另外，皮膚的自我更新和恢復功能也非常強大。

　　不僅如此，皮膚的一些特性也可以應用於其他方面，比如幫助安裝了義肢的人重新獲得他們已經失去的某些能力。而且，一些具有觸覺感知能力的電子皮膚能幫助義肢理解握緊一個蘋果、一雙手或一塊鋼鐵所需力量的細微差異。

　　現在，有很多科學家正在嘗試複製皮膚所擁有的這些讓人受益的屬性，研製各種人造皮膚。有的科學家正在建造微小的可拉伸的電子設備，以便賦予義肢真正的觸感。也有科學家們正在拓展人類皮膚本身的性質，讓其變身為21世紀連接人機之間的“橋梁”。

　　由納米墨水製成的導電“紋身”

　　科學家們表示，某一天，人類可能不再需要給慢性病患佩戴電子監視設備來跟蹤其葡萄糖濃度和心率。這些病患的皮膚將為他們做這些事情，或者更準確地説，他們的“紋身”將做這些事情。使用導電材料、熒光材料或納米粒子液體刻寫的紋身將成為一種不那麼笨重、不令人討厭和感覺麻煩的醫療監測手段。

　　美國西北大學的藥學教授希瑟克拉克正在進行一項實驗，試圖製造出能讓人一直處於聯絡狀態的可嵌入設備。今年夏天，她展示了首款肉眼看不見的納米粒子“紋身”，該紋身能通過在某些光線下發出熒光來監測血液中葡萄糖和鈉的濃度。

　　美國《技術評論》雜誌介紹道，該紋身由120納米寬的納米液滴組成，這些液滴包含有一個熒光染料以及能依附於某些化學物質之上的傳感器分子，分子越多産生的熒光也越強。一款配備了特殊濾光鏡的iPhone手機可作為光源。在實驗中，科學家們用iPhone手機的攝像頭為熒光拍攝了一張照片並使用計算機對其進行分析，以確定生物標簽的濃度。克拉克希望，他們最終能開發出一套可以閱讀輸出數據的iPhone手機應用程序。

　　美國麻省理工學院的工程師們也製造出了旨在幫助糖尿病患者持續監測其葡萄糖濃度的納米粒子“紋身”。工程師們表示，這些粒子也會在葡萄糖和紅外光出現時發熒光，使用者能通過穿戴某些電子設備來提供紅外線光束並解釋熒光所代表的意義。

　　儘管將這兩套“紋身”加於人身上並非毫無痛苦，但與傳統方法相比，這兩套系統的侵入性毫無疑問要小得多。

　　讓機器擁有觸覺

　　最近幾年，義肢越來越完善，但即使最好的義肢也沒有人體皮膚所擁有的最微妙的感受，也就是説，義肢沒有觸摸別人或被別人觸摸帶來的溫馨感覺。然而，新的電子皮膚或許朝製造出擁有觸覺的義肢邁近了一大步。

　　德國研究人員就在進行類似的嘗試，他們正在製造一些特殊的皮膚：這些皮膚本身並不擁有觸覺，但卻能夠非常精確地“説出”其接觸的物體是什麼。據英國《每日郵報》報道，德國慕尼黑工業大學的科學家們製造出了一個約0.75平方英尺的6邊形電路板，每個電路板配備有4個紅外線傳感器和6個溫度傳感器。科學家們表示，這些傳感器能探測大約1厘米距離內的物體，約等於人皮膚上的微小毛髮能感受到的物體距離。研製出這款皮膚電路的菲利普米藤多爾弗爾表示：“借用這一方法，我們模擬了人類皮膚的輕觸覺。”

　　研究人員表示，這種機器人皮膚像人類皮膚一樣，當被某物體接觸時會産生自發性退縮，這將有效地為機器人在環境中導航。另外，該機器人皮膚還將提供重要的觸覺信息至機器人，並通過相機眼、紅外掃描器和攥緊手掌而獲得感知能力。

　　不過，這種方法需要非常堅硬的材料。而現在，歐洲和美國的其他科研團隊正在研製由可拉伸的表面（其能像真實的皮膚一樣彎曲）製成的有觸感皮膚。英國劍橋大學納米科學中心的史蒂芬尼拉庫就是其中的翹楚，他領導的團隊正嘗試在一個透明的彈性硅膠上製造出能無損地拉伸和變形的電路。這種彈性材料能包裹四肢、手指，有望應用於皮膚移植甚至將皮膚用做觸摸屏接口等領域。

　　可拉伸的電子皮膚“出爐”

　　在美國加州，有幾個科研團隊正在著力研製可拉伸的、能讓機器具有觸感的電子皮膚。

　　其中一種皮膚由斯坦福大學化學工程系副教授鮑哲南領導的科研團隊研製而成，其敏感度是人體皮膚的1000倍，而且具有可拉伸功能。

　　去年9月，鮑哲南團隊發明了一種可模擬人類皮膚的高靈敏度柔性塑料薄膜材料。這種材料由高靈敏的電子感應器組成，當無數感應器連成一片時，就形成與人類皮膚相似的薄膜。這種電子皮膚能感知一隻蝴蝶停在上面的壓力，可被廣泛用於義肢、機器人、手機和電腦的觸摸式顯示屏、汽車方向盤和醫學等領域。今年2月，鮑哲南團隊再接再厲，創造性研製出了全球最新的可拉伸太陽能電池，使電子皮膚實現了自我發電。如今，鮑哲南團隊又利用納米材料為這種皮膚增加了透明和可拉伸功能，距離人類皮膚的功能越來越近。

　　鮑哲南團隊研製出的皮膚建立在有機半導體之上，其是由彈性材料和兩個電極組成的“三明治”。加州大學伯克利分校的科學家們研製出的另一款人造皮膚模型也基於同樣的原理，但其由無機納米線電路組成。

　　可剝落的表皮電子設備

　　讓紋身永遠停留在身上並非好選擇，能隨時剝落的紋身才是人們的心頭所好。今年10月份，美國伊利諾斯大學的科學家們宣佈，他們新研製出了一種可剝落的表皮電路，其可像臨時紋身一樣附著于皮膚之上，這種小型電路也能隨皮膚而彎曲和拉伸，可用來測量心率、肌肉活動、腦電波等生命體徵，讓醫院不再需要對病人進行監護所使用的笨重電極。該裝置還可用做電子繃帶來加速傷口的癒合，用於燒傷以及其他皮膚疾病；它甚至還可為人造義肢帶來觸覺。

　　該裝置的中層由感應器、電子原件、電源及發光元件所需要的金屬、半導體和絕緣體成分組成，該設計將所有這些必需的元件擠壓到一個超薄層中，其厚度大約為人的一根頭髮。

　　這種電子皮膚位於一層橡膠樣的聚酯之上，它具有的力學性質與自然皮膚的力學性質非常匹配。該裝置通過純粹的吸力黏附在皮膚上，這種被稱作范德華力的微弱力量是存在於相同物質分子間的引力，它不會干擾正常的皮膚運動，因此，可像臨時紋身一樣用於皮膚。

　　批量生産人造皮膚

　　燒傷病患和其他病人需要的皮膚要麼是接受移植而來；要麼剜肉補瘡，從自己身體的其他組織處獲得，然而，皮膚移植是個非常痛苦且危險的過程，而且效率也不高。因此，人們迫切希望能有一種可用的、容易移植的人造皮膚。現在，德國研究人員表示，他們已經找到了大量製造出這種皮膚的方法。

　　在德國弗勞恩霍夫表面工程與生物技術研究所，科學家們建造了一個新的皮膚工廠，該工廠每月能製造出5000塊硬幣大小的白色的半透明組織。科學家們表示，他們也能夠製造出棕色的皮膚。整個皮膚製造過程由機器人控制，機器人監控細胞的液體培養基的情況並小心翼翼地切除色樣以預防感染。

　　不過，到目前為止，這些物質還沒有被用於皮膚移植，但科學家們表示，未來，他們可以通過簡單的流水線製造出皮膚、氣管等身體組織。這種皮膚目前主要用於化粧品檢測。

　　借助其它動物生産人造皮膚

　　在培養皿中種植出人體組織聽起來或許毫無吸引力，不過，人們正在考慮借用動物，製造出人造皮膚。

　　今年夏天，德國科學家提出，蜘蛛絲作為可生物兼容、可生物降解的基體膠液可用於皮膚修復。這些科學家使用金絲網蜘蛛的蜘蛛絲，在金屬框架上編織皮膚模型，並使用纖維組織母細胞來孵化它們，這為身體連接組織提供了結構背景。這些研究人員在《公共科學圖書館—綜合》雜誌上撰文指出，通過朝這些模型中添加皮膚細胞前體，他們能製造出包含有真皮和表皮的人造皮膚。

　　其它動物的組織也可用作皮膚組織生長的基質，但蜘蛛絲比較簡單，而且其生物降解能力強，因此，是一個很好的選擇。

　　皮膚防彈不是夢

　　美國猶他州立大學的科學家蘭迪路易斯與同事最近發明了一種完全可進行商業化生産的新工藝，他們利用植入了蜘蛛基因的山羊和桑蠶，産出了“絲纖維”。

　　蛛絲是人們已知的最強韌的纖維，強度是鋼的5倍。儘管路易斯等人製造出的“絲纖維”並沒有那麼柔韌，但其也比普通桑蠶紡出的絲要強韌許多。在路易斯的幫助下，荷蘭藝術家賈里拉埃塞迪進行了一項實驗，用人體皮膚細胞和這種絲纖維編織出了一小片能防彈的皮膚。

　　埃塞迪最初想將路易斯發明的這種哺乳動物與蜘蛛的結合體身上的“怪誕因素”商業化。但路易斯沒有足夠多的“蛛羊絲”，於是，就給了她幾卷桑蠶吐出的蠶絲，那些蠶絲是他用基因工程倣造“蛛羊”培育出的桑蠶吐出來的。

　　埃塞迪一開始打算將“防彈皮膚”繃在框架上，用0.22口徑的子彈朝它開槍，但她最終決定將其放在荷蘭法醫研究所使用的一塊特殊的凝膠塊上來做這個實驗。

　　她用高速相機拍下了子彈以減緩的速度穿透普通蠶絲織成的“皮膚”的過程，然後，再將路易斯給她的基因工程培育出的“蛛蠶絲”織成的一片織物嫁接在表皮與真皮之間，再進行同樣的實驗，結果發現，皮膚沒有損傷。然後，她又用0.22口徑的步槍進行同樣的實驗，子彈調整為正常速度，新皮膚仍毫發無損。

　　埃塞迪對用蛛絲製造盔甲這一念頭極為入迷。她説：“如果人體皮膚能産生這種絲纖維，那我們不就可以防彈了嗎？”

　　而路易斯則對這項研究在防彈領域的應用不那麼熱切，他説：“防彈馬甲已經存在，這項發明更重大的意義在於醫學方面。通過細胞培育可製造出大面積的人造皮膚，供外科醫生用來覆蓋大型傷口或治愈嚴重燒傷患者。”

　　路易斯表示，這項應用何時開始還説不準，因為還需要得到美國食品和藥物管理局（FDA）的許可。但他希望在兩年內進行動物實驗，他也強調，此前已有科學研究證明，蜘蛛絲能夠很好地與人體兼容。

　　路易斯表示，下一步將是製造出更多材料以測試什麼細胞可以在其上生長，他説：“我們知道，有些皮膚細胞會在其上生長，但我們能讓跟腱細胞和韌帶細胞在其上生長嗎？使用轉基因絲或許更容易製造比跟腱或者韌帶更好的材料。”

　　皮膚作為電子接口

　　科學家們也正在努力研究，試圖將皮膚變成顯示屏的接口。這些接口就像納米粒子“紋身”一樣，但不僅於此，諸如皮膚輸入（Skinput）等設備將身體傳感帶到了另一個層次。

　　Skinput是由微軟公司和美國卡內基梅隆大學的科學家合作研發的一種新科技，它能將手臂化為輕觸式屏幕，可通過敲打皮膚，在手臂上打電話、上網及玩遊戲等。

　　用戶的手臂上會扣上設有聲波感應器和影像顯示器的手帶。當用戶觸動手臂，或輕彈手指時，感應器會接收用戶手臂不同位置發出的極低聲波，隨即透過藍牙，將指令發至手機以及電腦等設備，影像顯示器亦同時把影像投射至手臂上，令手臂搖身一變成為輕觸式屏幕。

　　科學家們表示，正處於研發中的Skinput可用於控制音響裝置、玩俄羅斯方塊等簡單遊戲、打電話及使用簡單的瀏覽程序。

　　此前，美國青蛙設計公司（Frog Design）設計出的一款名為“Dattoo”的設備可與人更加“親密”。用戶可以在自己的手臂上印上一預先設定大小的電子設備，該設備包括揚聲器、麥克風、攝像頭等工具。該設備也內置有用戶的DNA，讓人以最親密的方式與設備相連。

　　科學家們認為，Dattoo設備就是一個臨時性的“紋身”，其也能用於布料或其他材料的表面，但現在的問題是，它仍然還只是一個概念。

　　可拉伸、有觸感、可傳感……未來的人造皮膚可真不可小覷。不過，據10月23日的《自然納米技術》雜誌報道，讓人造電子皮膚最終擁有與人類皮膚同樣的功能是鮑哲南的研究目標，但要達到這個目標，還需要增加溫度、濕度等傳感器，並能與神經細胞交流。她説：“現在的傳感器還不能與神經細胞交流，還需要用電線與細胞連接起來，這些都是我們進一步努力的方向。”