與傳統(tǒng)的塊狀電子器件相比，柔性電子技術帶來了革命性的變革。這種技術使得電子器件變得輕薄柔軟，甚至具有彈性，類似于紙張或手機膜。在柔性電子的應用領域中，電子皮膚尤為引人注目。

電子皮膚的設計與功能

電子皮膚是通過柔性電子技術制造的，模仿人體皮膚的電子器件。它不僅需要具備皮膚的柔軟性，更重要的是擁有觸覺感知能力。電子皮膚不僅能夠模仿皮膚的功能，還能超越皮膚，幫助人類獲取環(huán)境和人體中的物理化學信號，提升與環(huán)境或自身的交互能力。

皮膚與觸覺感知

皮膚作為人體最大的器官，是觸覺的主要載體。我們能夠感受到物體的硬度，是因為皮膚中的壓力感受器能夠根據接觸時的力的大小來分辨物體的軟硬程度。電子皮膚通過壓力傳感器，同樣可以感知物體的軟硬程度。壓阻式壓力傳感器是實現(xiàn)這一功能最簡單和最常用的方式，它利用導電材料在形變時產生的電阻變化來實現(xiàn)傳感。

柔性壓力傳感器的應用

柔性壓力傳感器不僅能夠感知壓力，還能實現(xiàn)對物體形狀的感知。麻省理工學院的科研人員設計了一種低成本的可伸縮觸覺手套，手套上分布著548個壓阻型壓力傳感器，能夠詳細記錄每個傳感器感知到的壓力數(shù)值。通過這些數(shù)據，他們訓練了深度學習網絡，從而鑒定出不同的物體。

電子皮膚的集成與應用

通過柔性電子技術，結合柔性拉伸傳感器、溫度傳感器等，可以構建出具有觸覺的電子皮膚。電子皮膚最直接的應用是智能機器人。擁有觸覺的機器人能夠更精確地讀取環(huán)境中的壓力信號，從而實現(xiàn)更精準、多樣、有效的行動。例如，當前的機器人在對小尺寸、柔軟物體的抓握和操縱上存在困難，而電子皮膚提供的精細力學反饋將有助于解決這一問題。

人造傳入神經與觸覺信號的轉換

盡管在傳感器層面上可以實現(xiàn)對物體的感知，但將傳感器信號有效地轉換為大腦能夠理解的神經電信號仍是一個挑戰(zhàn)?？茖W家們通過仿生技術，發(fā)明了人造傳入神經。這種人造傳入神經包括壓阻型壓力傳感器、有機環(huán)形震蕩器和突觸晶體管。壓力傳感器獲取壓力信息，環(huán)形振蕩器將壓力信號轉化為電壓脈沖，突觸晶體管將這些脈沖信號整合并轉化為突觸后電流，與生物體內的傳出神經對接，形成一個完整的單突觸反射弧。

蟑螂腿的實驗與腦機接口技術

科學家們將人造傳入神經與蟑螂腿上的傳出神經對接，通過壓力傳感器施加壓力，成功地驅動了蟑螂腿的運動。這一實驗展示了人造神經在生物體中的應用潛力。此外，通過腦機接口技術，用編碼后的信號對大腦特定區(qū)域和細胞進行刺激，可以實現(xiàn)觸覺體驗。盡管目前對知覺的神經編碼的理解有限，腦機接口技術的發(fā)展仍需突破，但這為未來的觸覺信號轉換提供了可能。

蟑螂腿被人造神經控制機理（圖片來源：Science）

柔性電子技術的其他應用

除了建立觸覺系統(tǒng)，柔性電子技術還可以使各類傳感器具備皮膚一般的性質，如柔軟、可拉伸、自愈合等。這些傳感器可以覆蓋在皮膚上或衣服上，隨時隨地感知環(huán)境和自身的信息。此外，電子皮膚還可以通過其他物理化學原理，感知陽光中的紫外線強度、濕度、磁場、物體的接近等，或無創(chuàng)地監(jiān)測體液中的血糖等生理指標信息，采集腦電、肌電和心電信息等。這些應用展示了柔性電子技術在多個領域的廣闊前景。