鮑哲南院士，再發(fā)重磅Science：這次來(lái)真的感覺(jué)！

人造皮膚可以同時(shí)模仿自然皮膚的感官反饋和機械特性，這對下一代機器人和醫療設備具有很大的前景。然而，實(shí)現這樣一個(gè)可以與人體無(wú)縫集成的仿生系統仍然是一個(gè)挑戰。
2023年5月18日，斯坦福大學(xué)鮑哲南團隊在Science 在線(xiàn)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(guò)對材料性能、器件結構和系統架構的合理設計和工程化，開(kāi)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)脈沖序列信號生成和閉環(huán)驅動(dòng)功能。利用三層高介電常數彈性介質(zhì)，實(shí)現了與多晶硅晶體管相當的低亞閾值擺動(dòng)、低工作電壓、低功耗以及可拉伸有機器件的中等規模電路集成復雜性。該電子皮膚模擬了生物感覺(jué)運動(dòng)回路，當施加壓力增加的刺激時(shí)，固態(tài)突觸晶體管會(huì )引發(fā)更強烈的驅動(dòng)。

皮膚作為人體與周?chē)澜缰g的主要界面和保護層起著(zhù)至關(guān)重要的作用。皮膚的感官能力和機械柔軟性的結合不僅使人們能夠毫不費力地感知和響應各種外部刺激，而且還使人們能夠在動(dòng)態(tài)和非結構化環(huán)境中執行復雜的任務(wù)。遺憾的是，遭受皮膚損傷或截肢的患者可能會(huì )有嚴重的感知-行動(dòng)回路紊亂，導致他們甚至在簡(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運動(dòng)功能，但其局限性—如幻肢痛、不受控制的運動(dòng)和較差的靈活性—需要通過(guò)結合感覺(jué)反饋和組織順應性來(lái)解決。復雜的硅(Si)電路已被開(kāi)發(fā)用于模擬周?chē)窠?jīng)系統，并在假肢和機器人技術(shù)中體現類(lèi)似皮膚的感知能力。然而，構建一個(gè)單片集成的軟電子皮膚(e-skin)，將所需的電氣和機械特征結合在一個(gè)單一的設備平臺上仍然是一個(gè)挑戰。盡管在柔性電子和電路制造方面取得了進(jìn)步，但它們在電子皮膚中的應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施加的力的頻率產(chǎn)生類(lèi)似脈沖序列的信號模式，但生物感覺(jué)受體使用頻率調制信號來(lái)編碼輸入的幅度信息。這需要信號數字化和調整電路將傳感器的模擬信號轉換為尖峰序列信號模式，并需要人工突觸調節電流振幅以觸發(fā)身體運動(dòng)。

▲低壓驅動(dòng)人造軟電子皮膚系統，實(shí)現仿生雙向信號傳輸（圖源自Science ）由于軟電子產(chǎn)品具有良好的組織順應性、最小的侵入性和不可感知性等優(yōu)點(diǎn)，因此構建一個(gè)單片軟電子皮膚系統是可取的。為了滿(mǎn)足具有生物整合獨特優(yōu)勢的軟電子皮膚系統的嚴格要求，現有的軟電子產(chǎn)品需要克服幾個(gè)基本的挑戰。在材料層面，它們需要具有類(lèi)似組織的機械性能和在生理環(huán)境中的優(yōu)異穩定性。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。在系統層面，需要具有足夠晶體管數量、邏輯深度和功能復雜性的信號調理電路。最后，在應用層面，柔軟的電子皮膚需要對感覺(jué)信息進(jìn)行仿生編碼，并在設備-生物界面上進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)驅動(dòng)，以實(shí)現自然感覺(jué)和低功耗。通過(guò)合理的材料設計和器件工程，該研究開(kāi)發(fā)了了一個(gè)單片集成的軟電子皮膚系統，沒(méi)有剛性的電子元件，具有低驅動(dòng)電壓、高電路復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)系統在一個(gè)單一的設備平臺中結合了皮膚所有所需的電氣和機械特征。這一進(jìn)展為下一代假肢皮膚、人機界面和神經(jīng)機器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎。

來(lái)源：腦機接口社區

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