清华与中科院联手打造未来医疗神器：电子皮肤
清华与中科院联手打造未来医疗神器：电子皮肤
2024年6月，清华大学航天航空学院张一慧教授课题组在国际学术期刊《科学》发表重大研究成果：他们首次研制出具有仿生三维架构的新型电子皮肤，能够在物理层面实现对压力、摩擦力和应变三种力学信号的同步解码和感知，对压力位置的感知分辨率约为0.1毫米，接近于真实皮肤。
这款仿生三维电子皮肤的设计灵感来源于人类皮肤中机械感受器的空间分布形式。其结构由“表皮”“真皮”和“皮下组织”组成，各层的有效模量与人体皮肤中的对应层相近。传感器及电路主要位于“真皮”层中，其中力传感单元设计为八臂笼状结构，传感器位于笼状结构上部，更靠近电子皮肤表面，因而对外部作用力高度敏感；应变传感器位于器件底部的拱形结构上，在垂直高度上与力传感单元上部的传感器保持一定的距离，因此只对面内的拉伸应变敏感，几乎不会受压力的干扰。
无独有偶，中国科学院重庆绿色智能技术研究院科研人员在《纳米能源》杂志上发表研究论文，介绍了一种新型的皮革基微结构表面丝网印刷技术。该技术制备出具有垂直梯度导电纤维网络的阵列式电子皮肤，这种独特的多层分级导电纤维网络力敏结构，允许传感器在较宽的压力范围内保持高线性度和高一致性，并具有快速响应时间、快速恢复时间、优良的稳定性和稳定的动态响应性能。同时，这一结构具有优异的柔韧性，使触觉皮革器件更好地共形贴装于机器人体表。
复旦大学黄高山/梅永丰、东华大学赵哲/刘宣勇团队则在电子皮肤的多功能集成方面取得突破。他们开发出一种基于金属有机框架（MOF）的电子皮肤，能够同时检测葡萄糖、乳酸、微表情、人体运动、脉搏等多种目标。该研究利用原子层沉积（ALD）技术在壳聚糖薄膜衬底上生长均匀致密的Cu-HHTP薄膜，结合机器学习技术，尤其是Transformer神经网络，提升了MOF e-skin对于生物分子和运动的识别和分析能力，实现了对复杂生物和机械信号的高效处理。研究表明，这种智能e-skin可以识别不同的生化信号和运动信号，为未来医疗和机器人技术提供了新的可能性。
这些创新技术为电子皮肤在医疗领域的应用开辟了新的可能性。例如，高精度的力学信号感知能力可以用于监测患者的运动状态和康复进程；集成的生物标志物检测功能可以实现无创血糖监测，为糖尿病患者提供便利；而智能识别系统则可以辅助医生进行早期疾病诊断。
然而，这些技术目前仍处于实验室阶段，要实现大规模临床应用还面临一些挑战。例如，如何提高传感器的长期稳定性、如何降低制造成本、如何确保数据的安全性和隐私性等。但不可否认的是，电子皮肤技术正以前所未有的速度发展，未来有望在医疗领域发挥重要作用。
正如清华大学张一慧教授所说：“电子皮肤实际上是模仿人类皮肤感知功能的一种新型传感器，未来可装于医疗机器人指尖进行早期诊疗，还可像创可贴一样贴在人的皮肤上实时监测血氧、心率等健康数据。”随着技术的不断进步，我们有理由相信，电子皮肤将成为未来医疗领域的重要工具，为患者带来更精准、便捷的医疗服务。