（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——电子“皮肤”

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：苏业旺，中国科学院力学所教授。

               张莹莹，清华大学副教授。

讲座时间：2022年4月25日～5月1日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=3582847555602135042&read_id=0c426494-3757-4b26-8a98-b07ffd7d9e88&ref_read_id=969e0738-65a6-476d-83a5-47b7968823cc&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default_id

透视新科技——电子“皮肤”

讲座内容：

各位好!欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。今天，我们跟大家聊聊电子“皮肤”，这个电子“皮肤”绝对不是电子游戏当中使用的那种皮肤，而真的就是跟我们人类皮肤非常相近的一种。那可能有人会问了，说我们人类本来有皮肤，为什么还要研究那种电子元件硬邦邦做成的皮肤呢？接下来我们通过一段短片去了解一下。皮肤是人体最大的器官，它能阻挡人体之外的病菌，也能让人体感知外界的冷暖。如今，一种电子“皮肤”应运而生，它是一种运用柔性电子技术，集合了电子学、生物学、材料学等学科的原理，研制出来的一种电子检测装置。电子“皮肤”真的能够像人类皮肤一样柔软吗？科研人员为什么要研发电子“皮肤”呢？

短片过后呢，欢迎回到我们的演播室，首先给大家介绍一下我们请来的两位嘉宾，一位是中国科学院力学所的苏业旺教授，欢迎您！主持人，您好！另外一位是清华大学的副教授张莹莹，欢迎张莹莹！可能看过这个短片之后呢，大家对这个电子“皮肤”有了一定的了解。那能不能给我们解释一下，这个电子“皮肤”到底是什么？我们一想电子的东西总是，我手上拿的东西是电子的东西，这也是电子的东西，都是硬邦邦的，皮肤是特别柔软的，那电子“皮肤”到底是什么？您给我们解释一下。电子“皮肤”它其实就是一种仿人类皮肤的，它叫柔性传感器系统。简单的说电子“皮肤”就是一种电子装置，用来仿生人类皮肤，但是它同时要具有人类皮肤的特点和功能。具有人类皮肤的特点和功能。对。电子“皮肤”现在我不再想象是硬邦邦的了，应该也是柔软的，这个材料会是什么样的呢？您那是电子“皮肤”的材料吗？是的，我们这个就像橡胶一样，它首先最大的特点是柔性，然后还有经常用一些其他的材料，包括叫PDMS（聚二甲基硅氧烷），还有我们经常接触的硅胶，是这样的材料。它本身就是柔性的，大量采用它用来做电子“皮肤”的这个柔性衬底。嗯，这个我可以理解，你比如说它感受压力这些变化，甚至是感受疼痛等等，这可就不是一个简单的事了，这我们材料可以做到吗？

这些您说的这种功能，都是通过传感器来感知的，我们知道我们的皮肤，它里面有非常精妙的复杂的生物组织，它能够非常敏锐地感知到外界的刺激，并且把这样的刺激通过神经传递给大脑，大脑就能够准确地分辨到底是在什么位置，感受到了什么样的刺激，这个刺激的程度是怎样的。那电子“皮肤”就是通过传感器来实现这样的功能的，比如说其中最为常见的人们研究最多的就是压力传感器。那这个压力传感器呢，就是当外界有这个压力的变化的时候，它可以感受到。比如说有一只小蚂蚁爬到了某个位置，那电子“皮肤”它可以感受到，有蚂蚁的脚踏上来了，它能够感受到，并且它能够分辨出来位置，这是电子“皮肤”其中压力传感器能够实现的一个检测的功能。那将柔性的基底材料就是苏老师谈到的这种柔性的高分子材料，然后集成上我们柔性的传感器，这样最终就能够达（集）成一个柔软的，具有感知功能的器件，称为电子“皮肤”。

人体的皮肤是覆盖于全身的一种器官，它轻薄、柔软、有弹性，在与外界环境接触中具有保护、排泄、调节体温等作用。同时，皮肤在受到伤害后，它可以通过细胞再生来自愈，更重要的是皮肤具有感知能力，它让人类拥有了敏锐的触觉，让人类可以感知到冷热、疼痒，可以分辨物体的形状、材质和软硬。它让人类可以更好地保护自己和融入自然界，那么电子“皮肤”能否拥有人体皮肤的这些特性呢？刚才两位专家也给我们介绍了电子“皮肤”具有仿生的特性，我们首先说人类的皮肤，我们皮肤是有弹性的，受一点小伤可以自愈。并且有这种感知触觉这种能力，那我就不知道电子“皮肤”真的可以做到跟人类的皮肤特点相似吗？电子“皮肤”，它首先它最大的特点是柔性，还有可拉伸这样一个特点。原理上通过两个层次去来实现它的柔性，第一个层次像这样，这个材料本身是这样可拉伸的，是柔性的材料，那么我们做电子“皮肤”呢，尽量选取这种可拉伸的柔性材料，这是第一个层次来实现它的这个柔性。我们也抛弃不了这个原来的这个电子设备的一些材料，包括金属啊，还有硅，一些半导体材料，那么这些材料我们用来实现它的一些功能，以及它的一些电解性能。那么我们把这些材料，通过力学的结构来设计，来实现它的柔性，就是我不再是一个简单的一个材料了，就像这样一样做成这样一个结构，这个结构是我们学术上称它叫岛桥结构。

电子元件可以做到这么柔软？是的，是的。这就是我们一个柔性电子“皮肤”里面，一个经典的结构叫岛桥结构。那么它的这个，我再介绍一下在这个岛上面，这个小方块我们叫岛，这个岛上面可以集成一些功能元器件，包括温度传感器、压力传感器集成到上面，然后它本身不提供整体的变形能力。另一方面岛之间用一些小的弯弯曲曲的导线连接，这个导线可以传递电信号。嗯，然后你看它弯弯曲曲，所以它具有这个可拉伸的这个变形的能力。噢。所以说通过这个结构设计和材料设计结合到一起来实现它整体的这个变形能力，又同时具有它的功能，这就是我们的核心的思想。刚才您也提到了仿生，什么是这个触觉的传感器？它到底能传感到什么东西呢？比如说咱们平常用ipad（平板电脑），其实我们手指触摸上的时候，它也是感受到了压力，有压力传感，然后这个压力传感呢，它有好多种不同的原理，有的时候呢，是电容式的压力传感，就是我们有压力施加上去的时候，电容会发生变化，那我们跟踪电容的变化就可以知道压力。那还有时候呢，是这种压阻式的压力传感，就是当我们压上的时候，电阻会发生变化，所以通过跟踪电信号的变化就可以知道压力的变化，这个统称为触觉的传感器。

还有一种传感器，就是我们常常都，大家都知道的就是温度传感器，我们手都是能摸到温度，冷和热都是能感知的，但是电子“皮肤”它也要有这样一个基本的功能。就是说它这个温度传感器，主要是通过一些，比如说最常见的这个机理，就是热敏电阻这种材料，一旦这个环境温度发生了一点点变化，这种材料呢，它的这个电阻就会发生变化，通过这个机理呢它就可以，电子“皮肤”可以感知这个外界的温度。那比如说我们手去摸一个烫的这样一个物体，那马上我就缩回来，实现这个自我保护，那电子“皮肤”也要有这样一个功能，可以来帮助这个人类或者是机器人来实现自我保护。您看我在想，您刚才说通过各种科学的方式可以传达这些信息。那我在想起来这些事是非常麻烦的，触觉要有触觉的传感器，压力要有压力的传感器，冷暖的传感器等等，甚至痛痒（传感器）等等，我们都可以把这些所有的感知都放在一个传感器上吗？这在科学的研究过程当中，是不是相当复杂的过程。

每一个传感器呢，我们通过柔性电子的这些技术，可以做得都是比较小的，然后比较小的这些传感器，可以通过一些排列和阵列，或者是叠层的这种方式，然后集成在电子“皮肤”里边，然后它整体上可以实现多个功能。嗯。就像刚才我拿这个岛桥结构里边，它每一个岛阵列上用不同的传感器可以排在一起，或者叠到一起这样的方式。你看很多科学家也说过这样的话，其实人类最不了解的就是我们自己。你比如说当我们熟睡的时候，突然一只蚊子落在你身上，突然就会把你惊醒了，这样一个过程。甚至是天冷了，风吹过来，我们打一个喷嚏，我知道我需要加衣服了，这都是皮肤感知给人类带来的自我保护的措施。我在想，当它生成为电子元件的时候，一旦电子元件坏掉了，它会不会伤到人啊？事实上这个电子“皮肤”，它不止包含了这个传感器，传感元器件本身这样一个元器件，它还包含后端它一个强大的运算的处理信息处理系统，它有一定的这个容错的能力。比如说你这个传感器出了什么问题，它后端会进行一些处理，来避免一些对自我身体的一些伤害。

电子“皮肤”是一种电子检测装置，它的设计灵感来自人类皮肤的触觉，人体的皮肤中布满神经细胞，它们可以敏锐地感受到外界刺激，然后将这些刺激信息传递给大脑，从而让人体有了触觉。电子“皮肤”的核心是一种叫做触觉传感器的电子元器件，这些元器件就如同皮肤里的神经细胞，对外界的刺激非常敏感。根据功能的不同可以分为温度触觉传感器、压力触觉传感器等等。有了这些触觉传感器，电子“皮肤”就能感知到外界的刺激信息，并把这些信息变换成特殊信号，传输给相应的处理装置。触觉传感器的诞生和应用，让电子“皮肤”拥有了和人类皮肤一样灵敏的触觉。人类皮肤，刚才我们提到的是可以自愈的，我们伤了、破了，过几天上点药，不上药也可以自愈。你这个电子“皮肤”能自愈吗？您提了一个特别有意思的问题，就是自愈性。我们知道皮肤在割伤以后，它可以自己过几天再长好，其实科学家们，也正在开发这种具有自愈功能的电子“皮肤”，那基本的思路就是通过新的材料的合成。比如说合成新的类型的高分子材料，那当它被划伤，甚至是（被）完全割裂以后，它在一定的条件下能够恢复原有的功能和形状，给你举个小小的例子。我们实验室在2019年的时候，就报道了一种可以自愈的电子“皮肤”，这个电子“皮肤”，它主要的材料是丝素蛋白和石墨烯来造成的，然后当它被划伤以后，我们滴加一滴水，它就可以自愈。原因是因为滴加了水以后，它里面可以形成一些动态的，就是原有的动态的氢键和配位键，它可以重新形成，然后使得这个电子“皮肤”的功能可以恢复如初，这就实现了治愈。

我来想象一下，首先比如说它受了伤害之后，电子“皮肤”得传感，自己说我受伤了，是吧。然后再指令我说我得去找水，水再滴上。这个过程听起来简单，是不是研究起来非常复杂啊？您提了一个更加高兴的问题，就是它如何去探伤的问题，其实呢，在这个智能的器件里面去探伤，也是一个非常重要的话题，就如何去探伤。在这里面要通过一些电子元件的设计，比如说当它断开了，它原有的这个电学的连接以后，它的系统能够感受到我断开了，这（种）情况下呢，它可以发出指令，告诉它的这个控制系统，说我断开了，在这种情况下可以去指挥自愈的过程。柔性材料的运用，让电子“皮肤”柔软，有弹性，甚至可自愈，触觉传感器则让电子“皮肤”拥有了触觉。既然电子“皮肤”拥有如此强大的功能，为何还没有被人们广泛应用？电子“皮肤”的研发还存在哪些瓶颈呢？未来电子“皮肤”又将如何发展？但是还是有人会问出这样的问题，我们人类既然已经有了自己的皮肤，为什么我们还要研究电子“皮肤”呢？

皮肤是人体最大的一个器官，然后它也是人体最大的一个感知器官，皮肤使得我们人类拥有了触觉。然后现在就是我们研究电子“皮肤”呢，根据我个人的理解有两个方面，一个方面是希望向深度发展我们人类的感知的功能，比如说去感知我们以前所感知不到的信号。特别微弱的信号，或者是其他以前没法感知的，比如说光啊，声啊，这一类的信号。这不就是增强了人类（皮肤）的功能了吗？对，然后另外一个方面就是能够把我们人类的触觉延伸到其他的本来没有触觉的事物，这样可以使我们周边的世界变得更加的智能，生活变得更加的便捷。可能现在我们想了解一下，这个具体的应用都出现在哪些领域，哪些方面呢？现在事实上真正落地的，相对还说是在应用层次上相对比较初步，所以说现在有一些柔性的这种电子“皮肤”做这个心电监测。还有这个体温监测的，现在有一些已经有一些初步的应用了。在美容方面也有一些初步的应用，现在我们了解到的还是大概是这些初步的。主要是在医疗这个领域。对，医疗健康这个领域上面。

电子“皮肤”人们期待很大的一个应用领域，就是在医疗健康方面，比如说现在我国老龄化社会，越来越明显，然后包括老人的护理，包括儿童的护理，这都是需要一些智能的新的技术的辅助。当有了这个电子“皮肤”以后呢，它可以给我们的医疗的检测，健康的预警提供很多的帮助。比如说有了这个电子“皮肤”之后，当人的体温升高的时候，或者是说我们通过电子“皮肤”检测到其他的生理的指标发生变化的时候，比如说发现血糖特别高，这时候需要医院的帮助，或者甚至能够实现自主的给药。那这个是未来电子“皮肤”呢，人们对电子“皮肤”赋予了很大的期待的。嗯，甚至是比如说我们想到那些不幸的受伤的、烧伤的，还有这个造成残疾的，都可以做成（电子“皮肤”）弥补。是的，是的。就像这种大面积的，或者复杂曲面大面积的柔性电子它是有很大的（烧伤），这个应用的空间的。比如说我们之前跟北京的一些烧伤科的医院，也进行过一些深入的探讨合作。在这个烧伤方面，促进这个伤口愈合，促进这个烧伤的恢复方面，会有一定的应用的前景。

有一个很重要的方面，就是我们社会中会不可避免地有一些人受到伤害，失去自己的肢体，那肢体失去了之后呢，人们往往通过一个佩戴假肢的方式来恢复原有的看起来的样子，但是如何让佩戴上的这个假肢，也具有原有的感知功能呢？那这时候就需要用到电子“皮肤”，比如说我们期待着将来残疾人戴上假肢以后，假肢可以来感受外界的力。比如说假肢可以帮我们拿起一只鸡蛋，而不把这个鸡蛋捏碎，同时又把它能够稳稳地拿起来，而不掉到地上，那这个就需要在假肢上有一定的传感器，也就是我们说的电子“皮肤”，它具有感知和反馈的功能，这样就能够使假肢具有原来的肢体类似的功能。那这样呢，这个电子“皮肤”将通过这样的方式来造福很多人。两位科学专家呢，刚才给我们在畅谈未来的时候，设想它的应用的时候，都提到未来是可以的。既然未来可以，那当下可能还做不到，做不到的原因，我们的瓶颈在哪里呢？

电子“皮肤”它本身还是个（电子）装置，它不是像我们人类皮肤一样，它可以我们自己供给能量，所以说它本身的供能还是一方面的问题，像我们人类或者是装到机器人身上，这个电子“皮肤”它需要行走，或者是用这个电池，那还需要停电。那么一种比较好的解决方案呢，就是给它实现自供电，这还是一个我们一个重点研究的方向。嗯，自供电就是这个皮肤的使用，它是需要电能的传动来工作的。是的。比如说是现在一些摩擦发电这项，或者是运动发电这样一些自发电的方式装到人身上，或者装到机器人的身上，可以实现它这个长久的自供电，就不需要像我们电池一样，每天去充一下电，都不需要这样一个步骤。甚至我们知道钟表制造工艺当中，有（利用）动能的这种（方式）给表上弦，这个电子“皮肤”不可以做到吗？也可以做到，但是最好的方式是让它自供电，不需要去上弦，也不需要再去充电了。这个我们还在摸索阶段。还是一个比较重要的研究方向，还在是一个探索阶段。对，我补充一下，刚才苏教授提到了自供电的这种电子器件，另外一类就是柔性的电源，现在人们研究了很多柔性的锂离子电池，柔性的超级电容器。那我想呢，这类柔性的能源器件，和刚才这个苏教授提到的这种自供电的单元，他们可以在各种不同的领域，结合起来，来实现将来的电子“皮肤”的供能问题。还有哪些瓶颈呢？

还有就是电子“皮肤”和人之间的数据传输的接口问题，比如说我们这个电子“皮肤”上面有这个柔性传感器，这个传感器你要传输到大脑上面，那就需要把这个，它收集到的电信号或者是其他一些信号，转化成我们大脑神经能接受的信号，这个接口也是一个瓶颈，是吧。我们知道其实还有很多的我们皮肤能达到的，但是现在电子“皮肤”还达不到的，比如说当我们人摸到什么，不同的物体的时候，他可以分辨，那我摸到的到底是棉布呢，还是块尼龙布呢？这是要求非常高的，这个在电子“皮肤”的实现上，现在据我所知，实现起来还是非常困难的。所以电子“皮肤”的研究就是来模拟我们人类（皮肤）的功能，还是有很多的挑战需要去克服。我们有一天真的（运用）科技解决了这些瓶颈之后，未来我们的期许会是什么？

未来呢，一个方面是我们人类拥有更强大的能力，就是相当于像电影中展示的那样，人类拥有了超能力，变成了超人。比如说，我们现在的皮肤，它可以敏锐地感知一些压力、温度这样的信号，但是呢，它还不具有感受其他信号的能力。比如说声啊、光啊，甚至是说它能够感受到信号以后，还能够做出反馈。那我们这个电子“皮肤”呢，人们期待着有了电子“皮肤”以后，以后人类在特殊的场合，穿上一个特殊的超能的铠甲，也许可以实现一些超能力，它能够实现保护自己的身体，同时来感受环境的信息。举个例子，比如说这个光学的感知，那我们皮肤是感觉不到这个光是亮还是暗，但是通过一些光学的传感器集成到这个电子“皮肤”上，它是能感受到的。甚至具有眼睛的功能，所以说现在是还是有一些交叉，有的能达到，有的甚至皮肤达不到，但是电子“皮肤”可以达到。有些方面已经超过了人类皮肤本身的功能。对。据我所知，在压力、温度方面其实是超越了的，我们人的食指它的感知能力，感知压力的时候，能感知到大概2000帕，而我们现在做的电子“皮肤”，就是我们食指感受到外界的力，最小的力就是2000帕，而电子“皮肤”现在能感受到的力可以是0.2帕。就是人类有的时候不知道蚊子落在自己身上，就不特别细心察觉的话，但是电子“皮肤”一定可以察觉到。是的。

作为一种仿生电子检测装置，电子“皮肤”可以应用到医疗领域，实时监测人体的健康状态，也可以运用到假肢和机器人的制造，让它们拥有人类皮肤的能力，进而更加灵敏和智能。而在科学家的设想里，电子“皮肤”甚至有可能拥有超越人类皮肤的能力。它也许会像眼睛一样感知光，像鼻子一样拥有嗅觉，它可能比人类皮肤更加敏感。检测到人类体察不到的细节，它可能能拥有更高的耐受力，去适应人类无法承受的极端环境。电子“皮肤”可以让人类更强大，让机器人更智能。除此之外，电子“皮肤”还有哪些其他的应用呢？甚至我们想象再大胆一点，就像很多科幻片当中我们看到的那些人工智能的机器人，长得跟人是一模一样的，拥有人的形象，皮肤、触感，冷、热都有的，那也是可以成立的，是这样吗？未来的预期是这样的，就是整个的要实现，您说的呢，是一个整个的智能的系统，那电子“皮肤”是整个智能系统里面的一个部分，就是实现了我们刚才说的这种触觉传感之后呢，还需要实现一系列的其他的功能。比如说要把这个信号传递给大脑，大脑要再来指挥原有的这个肢体，来实现动作的反馈。所以，电子“皮肤”是其中一个重要的组成部分。一方面是给人类本身穿上，同时包括现在和未来都是对机器人，它的需求是比较大的，那么我们机器人也可以穿上这个电子“皮肤”，让它有像人类一样灵活或者是可以控制比较好的这样一些功能，同时还可以有更强大的功能，就是我们超级机器人是吧，我们可以有这样一个设想。嗯，所以我甚至想象我们今天把它叫做是电子“皮肤”，实际上它也是一个电子产品，十年前大多数人离不开电视，说每天长在电视面前，现在很多人说离不开手机，手机也是电子产品，未来的若干年之后，会不会这个电子“皮肤”会成一种穿戴设备（被）戴在我们身上，它可以了解很多很多的信息，包括手机目前覆盖的内容，有这种可能性吗？

有可能，甚至有可能取代手机现在的功能，在未来的几十年之内，有可能通过电子“皮肤”功能强大之后，实用性强了之后，可能取代现有的电子产品的形式。我们知道，我们现在其实生活中已经有很多很多的电子器件，一个最直接的例子就是大家每天握在手中的手机，大家用的ipad，这些都是一些小型的电子器件，它其实是这个电子时代发展的一个很重要的成果。然后电子“皮肤”呢，它和我们现在用的器件最大的一个区别就是电子“皮肤”是柔性的，而我们现在用的器件都是坚硬的，那柔性的能够带来什么新的效果呢？就是当它是柔性的时候，它可以随着人体的运动而运动，比如说随着人的关节的运动，它是能够很好地贴合在皮肤上的，从而能够更好地，更灵敏地，更准确地来检测信息。嗯，在未来，我们研究还会涉及到造福到哪些领域里呢？

除了这个电子“皮肤”，给我们人本身穿上，给机器人穿上，还可以给一些非生物的一些大型的装备穿上。比如说像飞机、高铁，像我们单位研究有很多研究高铁的，研究飞机的，甚至未来的这个飞机是变形翼飞机是这样的，这个翅膀是可动的。嗯，这样的话，这个电子“皮肤”，给它们穿上之后呢，就可以做一些传感，包括这个表面流场，表面压力的这样一个监测，以及这个内部结构的这个损伤的这样一个监测，有非常大的应用前景。所以我们真的要用发展的眼光去看待科技，我们的明天不知道通过科技的手段，还要给我们创造出哪些惊喜？好的，非常感谢两位专家现场给我们解读这个新的科技电子“皮肤”，我相信未来电子“皮肤”一定会给我们人类带来更多的福祉。好，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》 ！我是主持人胜春，咱们下期节目再见。