‌·

能感知肿瘤的仿生皮肤

来源:南方都市报     2016年05月29日        版次:RB16    作者:综合

    2003年,东京大学电气工程学教授染谷萌生了一个“超前”的构想,让机器人只需要和人类握手就能感知人的情绪。

    ↓染谷拿着他发明的电子皮肤。虽然看上去像是巧克力包装,但其实e - skin中包含了非常复杂的电路和触摸感应器,可用作可穿戴式医疗传感器。

    ↑e- skin厚度不到2微米,轻如鸿毛,对温度和压力异常敏感。染谷说他的最终目的是要让电子皮肤舒适到让人们忘记它的存在。

    皮肤是人类最大的器官,如果能够通过皮肤来诊断疾病将是多么大的进步。东京大学的科学家染谷隆夫发明的仿生/电子皮肤可能把这一设想变成现实,甚至还有更多神奇的应用。

    皮肤是人类最大的器官,是我们的头脑和外部世界之间的屏障。如果能够通过皮肤知晓人体内部的情况,在身体即将生病前发出警报,将极大地方便医疗诊断。东京大学的科学家染谷隆夫(TakaoSom eya)发明的仿生/电子皮肤可能把这一设想变成现实。这种人造皮肤轻如羽毛,却坚不可摧,可能在不久的将来彻底改变医疗行业。薄如蝉翼的仿生电子皮肤包含有机传感器和晶体管,它们呈网格状分布在塑料基底材料上。

    根据染谷的构想,在未来,医生可戴着用仿生电子皮肤制造的手套,只需触摸就能检测到隐藏在女性乳房内的微小肿瘤。减少转诊或扫描检查的必要,在例行检查时提早发现肿瘤。此外还有更多的应用前景。比如,可穿戴式电子皮肤可以被文到身体表面,或缝进衣服里,用于监测重要生命体征,甚至可以通过检测心脏信号帮助预测心脏的发作。染谷计划在未来几年里让这一切成为现实。然而,他的这一构想最初始于机器人——— 而非人类。

    “在我设想电子皮肤的未来应用场景时,我看到一个机器人和人握手,感知他们的情绪———比如激动或悲伤。”他认为,给机器人创造一种电子皮肤,将为过度饱和的商业电子领域开启新的研究潮流。曾几何时,这个领域的研究一味专著于微型化和速度,而那是在15年前。如今看来,染谷的研究方向果然更有远见卓识。

    “柔软”突破

    “21世纪初,我开始这项研究时,软性电子产品正逐渐受到追捧,但大多数人都瞄准了电子纸张,”染谷说,“我想要尝试主流之外的东西。”

    人工皮肤早已存在,但性能不佳。能够感知温度和压力的皮肤不柔软,可以说所有功能性皮肤都是硬质材料,而且造价昂贵,如果要完全覆盖机器人的表面,费用不菲。染谷想突破所有限制,但这是一项艰巨的挑战。

    人类的皮肤构造非常复杂,不易模仿。如果完全“铺开”,普通成人的皮肤表面积约为20平方英尺,上面分布了多达200万个疼痛传感器。染谷深知,如果将200万个传感器装入电路驱动器,电子皮肤将完全失去柔韧性。他的柔软皮肤构想,需要灵活的思维方式。而染谷的下一步举措,牢固奠定了他作为人工智能领域大思想家的地位。

    2003年,染谷开始尝试用二萘并噻吩(D N T T,一种钞票防伪箔条经常使用的材料)等柔软的有机材料,代替硅等硬质电子材料。首先,他决定将能够检测压力和温度(30℃- 80℃)的传感器和有机半导体连接起来,这种天然柔软、具有生物相容性的材料,是制造电子皮肤的理想选择。然后,他将这些材料铺设在LCD显示器使用的“主动式矩阵”网格系统上,赋予每个传感器单独地址,以判断它在网格上的位置,完全避免使用麻烦的导线。

    染谷接下来的一步堪称天才。当其他竞争者还在玻璃、钢箔等纤薄硬质表面上铺设传感器时,他的团队选择了塑料薄膜。塑料不但惊人地结实耐用又廉价,还可以妥帖地包裹在机器人纤细的金属手指上,不会破损。世界第一种超纤薄的软性电子皮肤就此诞生。

    虽然有了一连串的成功,染谷依然面临一个重要问题,他的电子皮肤没有伸缩性。

    与此同时,在美国普林斯顿大学,西格尔德·瓦格纳教授带领的团队开始尝试用有伸缩性的橡胶制造电子皮肤。染谷的团队受到启发,开始用喷墨的方式将有机传感器网格打印到塑料薄膜上,然后再将薄膜粘合到经过预先拉伸的橡胶基底材料上。释放橡胶后,塑料薄膜收缩起皱———正如人的皮肤一样———再度拉伸后,塑料薄膜也随之伸展。这种材料可拉伸、附着在机器人的关节沟槽部位,就像保鲜膜缠绕在手臂上。在加上橡胶基底后,染谷的电子网格可以拉伸至原来的2.5倍,还可以像纸一样揉成一团,从1米高的地方坠落也不会破损。

    “对我们而言,这是很重要的突破。”染谷回忆说。

    另一个突破接踵而至,虽然听上去违背逻辑———塑料电子皮肤越来越薄,变得越来越强韧。2005年至2013年期间,染谷和他的团队不断地研究用越来越薄的塑料薄膜制造电子皮肤,最后成功将皮肤的厚度缩减到只有1微米———相当于保鲜膜厚度的十分之一。它的灵敏度已经可以和人类皮肤相比。

    染谷说:“这个时候,我们意识到电子皮肤的应用不应只局限于机器人,于是我们开始实验将电子皮肤附着于人类皮肤表面。”

    医疗应用

    2014年,染谷的团队用了3个小时的手术将电子皮肤铺到一只老鼠的心脏表面。通过信号优良的心电图,智能皮肤成功检测到老鼠心脏缺陷的位置。“在未来,这类技术可以被用到人类身上。”染谷说电子皮肤对于心脏的负面影响远远小于一般的电极。

    斯坦福大学的化学工程教授鲍哲南正在研究一种生物降解材料,如果成功,植入身体的电子皮肤再也不必通过手术取出。“植入的医疗装置可测量流入心脏的电流流量、器官的大小以及这些指数随着时间的变化,”鲍说,“它们还可以测量脑部压力。”

    2015年,鲍哲南的团队发布论文提出,超声波测距传感器———已经被安装在机器人身上预防它们与物体相撞———能够被用来检测人体内人的皮肤无法感知的微小肿瘤。“由于肿瘤的密度和身体组织的差异,医生戴着用安装了这类传感器的电子皮肤制造的手套可以检测到病人乳房内的肿瘤。”

    今年年初,染谷的团队发布了一款能够检测氧气水平的电子皮肤。微电子元素发出红色、绿色或蓝色的光,显示读数。超薄的电子皮肤铺在手上就可以变成一块数字显示器,方便随时阅览信息。最终,染谷希望类似皮肤将被用于在手术期间监测器官的含氧量。

    电子皮肤的另一大用途可能极大地改进现代假肢的功能:如果铺设在人的上臂,电子皮肤将能检测脑部发出的信号,传递信号,通知假手臂移动。

    无限前景

    不限于医疗领域,电子皮肤还有其他更多数不尽的应用方式,包括在游戏和个人健康跟踪方面的潜在应用。

    去年11月,染谷让研究团队成员Ichiro A m im ori创建一家公司,将染谷实验室的成果转化成商品。2016年,在国际消费电子展上,A m im ori发布了虚拟现实游戏使用的“动作捕捉服”。监测动作、呼吸和体温的传感器全部安装在包裹于织物纤维内的电路中,这套衣服甚至可以用洗衣机清洗。

    A m im ori说:“游戏玩家只需要通过动作就能操控拳击游戏。”他的团队还为婴儿设计了一套运动感应服装,让父母能够监控另一个房间里婴儿的移动。“目前这些产品还处于原型阶段,距离走向市场还有一段距离。”A m im ori说,“但已经不远了。我们已经制定了将染谷技术推向现实世界的路线图。”

    染谷说,在他的研究突破之后,电子皮肤的研发呈爆发性增长,全球有很多的团队在研究如何消除最后的障碍,让它变得真正可以穿戴。但他本人对于这项技术的梦想更远大,现在他回到了让人类与技术结合的原始目标。他说,“最终,我们的梦想是创造软质电子,让机器人与人类的关系更和谐,让人类变得更像机器人,让机器人变得更像人类。”

    原载:http://edition.cnn.com/2016/05/17/health/frontiers-takao-som eya-eskin/in-dex.htm l

    原文:Jenni Marsh

    编译:宇

返回奥一网 意见反馈