機器人也可有痛覺?新型電子皮膚更能用於皮膚移植

知道冷暖、感受疼痛,再也不只是人類“專屬”了。

皮膚分表皮和真皮,底下有皮下組織。(圖源:互聯網)

皮膚分表皮和真皮,底下有皮下組織。(圖源:互聯網)

做為能讓機器人產生真實觸感的系統,電子皮膚大大提升了機器人的柔韌性和延展性,卻無法做到像人類皮膚一樣對疼痛有反應。不過,墨爾本皇家理工大學的研究團隊近日宣佈:透過設計 3 種功能完備的皮膚感受器,電子皮膚終於也能感受到疼痛刺激了。

2020 年 9 月 1 日,該團隊題為“人工身體感測器:電子皮膚的反饋受體”的研究成果發表於期刊 Advanced Intelligent Systems(先進智能系統)。

電子皮膚能感知疼痛嗎?
我們都知道,皮膚就是覆蓋在人體表層、直接與外界環境相接觸的組織。實際上,遍及全身的皮膚是人體最大的器官,具有保護身體、排汗、感知冷熱與壓力等功能。

能夠感知到外界資訊變化,主要原因就在於皮膚由複雜的感測器組成。每當感測器檢測到刺激,將會迅速向中樞神經系統發出信號產生反應。

基於上述特性,旨在透過模擬人類皮膚感測功能實現、甚至超越其性能的“電子皮膚”應運而生。除了機器人領域,電子皮膚在人工義肢、醫療檢測和診斷等方面也展現出了應用前景。

近年來,人們對電子皮膚提出更高的要求,電子皮膚已發展到超薄、可拉伸、可進行多參數檢測的地步。

比如 2013 年,加州大學科學家研發出能在一毫秒內迅速反應的“互動壓力感測器皮膚”:一塊沉積了一層薄聚合物、一層晶體管、一個有機 LED、一個壓力感測器的矽晶片。

2014 年,德州大學奧斯汀分校科學家研發出了長 4 釐米、寬 2 釐米、厚 0.003 釐米的電子皮膚,這個內建了溫度感測器、抗低壓 RAM、微尺度換熱器的可伸縮高分子材料,能透過靜電力吸附在我們的皮膚上,用於幫助治癒帕金森氏症及癲癇症患者。

2017 年,台灣中山科學研究院半導體研究所設計的超薄電子皮膚,具有微米級超薄可拉伸襯底及蛇形電極結構,不僅不易被損壞,還能對人體脈搏、語音、呼吸、體表溫度等生理訊號即時快速監測。

然而,電子皮膚發展至今,還不能真實地模擬人類對於疼痛感的反應,而這恰好是上述 RMIT 研究團隊的切入點。

電子皮膚包含哪些技術?
在論文中,研究團隊主要展示了 3 個關鍵的皮膚感受器:環層小體、熱感受器和痛覺感受器。

這裡需要解釋的是,環層小體又名潘申尼小體,呈卵圓形或球形,直徑 1至4mm。在生物體中,它廣泛分佈在皮下組織、腸系膜、韌帶和關節囊等處,主要作用是感受壓覺和振動覺。

不難看出研究團隊的主要目的是設計一款能感受壓力、溫度、疼痛的電子皮膚。

我們可以將上述 3 種感受器理解為多種功能單元的組合,包括:

‧基於貧氧鈦酸鍶的決策型憶阻器(鈦酸鍶是一種無機化合物,分子式為 SrTiO3,可用做電子陶瓷材料和人造寶石)。

‧基於可拉伸金彈性體(聚二甲基矽氧烷)的壓力感測器。

‧基於相變氧化物(釩氧化物)的溫度觸發器。

研究團隊還表示,製造過程不需要單獨、複雜的熱電模組,或是用於概念體感器實際翻譯的壓電壓力感測器。

值得一提的是,這項研究已獲得臨時專利,而在這項研究中,還結合了該團隊先前已獲專利的 3 項技術,具體包括:

‧可拉伸電子產品:將氧化物材料與生物相容性有機矽相結合,可提供透明、堅固的可穿戴電子產品,只有一張紙那麼厚。

‧具有溫度反應性的塗層:一種比頭髮絲細 1,000 倍的塗層,由一種能對溫度產生反應的材料製成。

‧模仿大腦記憶的電子細胞:可模仿大腦長期記憶,回憶、保留先前的訊息。

電子皮膚如何感知刺激?
論文中,研究團隊展示了 3 種感受器的工作流程。

3 個感受器接收到刺激的情況:感受器透過灰質後角連接到脊髓,脊髓將資訊傳遞給大腦。資訊傳遞有兩個通道,分別用於壓力檢測(藍色部分)和溫度檢測(紅色部分)。當壓力、溫度或疼痛達到設定閾值時,3 個感受器的儲存單元都將觸發響應。

具體到各個感受器,環層小體未受刺激時,兩路均為中等電流;環層小體受到壓力時,顯著的大電流通過憶阻器。

無溫度施加時,熱感受器和痛覺感受器無電流流過憶阻器;當溫度作用時,熱感受器和痛覺感受器會在憶阻器中觸發導電燈絲,產生大電流。

最終,研究團隊證明了這款電子皮膚具有對超出臨界值的壓力、溫度、疼痛刺激,做出真實表現特徵及反應的能力。

對此,RMIT 功能材料和微系統小組聯合負責人、論文合著者之一 Madhu Bhaskaran 教授表示:疼痛感應電子皮膚是朝著下一代生物醫學技術和智能機器人技術發展的重大進步,也是未來反饋系統發展的關鍵一步,我們需要交付真正的智能義肢和智能機器人。

Madhu Bhaskaran 教授還做了一番展望:未來若傳統的皮膚感應方法不再可行,可拉伸電子皮膚也可能成為非侵入性皮膚移植的一種選擇。

自然,我們可以大膽想像一下,未來機器人也會有痛覺◆

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