人造皮膚可檢測輕微的觸動

日期：2010-09-14 17:33:04

斯坦福大學的兩個研究小組開發了兩種人造電子皮膚系統均可檢測最輕微的觸動。這類皮膚將有可能最終被用于假肢矯形或是制造接觸敏感性機器人裝置。該研究成果發表在《自然材料》（Nature Materials）雜志上。

兩種系統可檢測的壓力變化均小于1千帕斯卡，相當于我們的手指打字或是拾起鋼筆時所感受到的力。而以前的系統只能檢測超過10千帕斯卡的壓力。

這兩種裝置以完全不同的方式發揮作用。加州斯坦福大學的化學家Zhenan Bao和她的同事們利用的是彈性聚合物聚二甲基硅氧烷（PDMS）。Zhenan Bao在一塊6平方厘米的二甲基硅氧烷上間隔挖出椎體形的小洞。當二甲基硅氧烷受到擠壓時，裝滿空氣的椎體形的洞就會被二甲基硅氧烷填滿，從而改變了裝置的電容使它能夠容納電荷。

為了更容易檢測出電容的改變，Bao將二甲基硅氧烷電容粘到有機晶體管上，有機晶體管就能夠讀出電流改變的差異。研究小組使用一串晶體管追蹤了材料不同位點的壓力改變。

二甲基硅氧烷構成的皮膚對于輕微的觸動非常的敏感。Bao將一只麗蠅和蝴蝶分別放在裝置上，該裝置能清楚地“感知”它們的差別。雖然該裝置非常敏感，但是目前還存在彈性較差的缺點。Bao希望到今年年底能制造出一種可用于假肢矯形的彈性皮膚。
“我們的研究致力于獲得具有生物相容性的人造皮膚并能將其整合到動物或真正的組織中，這將是一個長期的工作。”Bao說。

加州大學伯克利分校的Ali Javey和他的同事們用不同的方法開發了另一種人造皮膚。Javey利用一種接觸印刷技術將半導體納米線牽入一個方格中，這個方格進而被放置在一種壓力下可改變電阻的壓力敏感性橡膠上。

在7平方厘米的方格里，交叉的納米線就像晶體管一樣發揮作用。每個晶體管就像一個像素，每個位點壓力誘導的電流改變都將被讀取。由于其主要成分是橡膠，這個裝置非常的柔韌。“由于我們使用的是非常小的無機半導體，裝置非常的靈活。”Javey說。他將感受器彎成U形。每個U形臂間隔5毫米的間隙，該裝置仍然可以發揮作用。

“具有全面功能的人造皮膚還需要進行更多的壓力和彎曲檢測。最終人造皮膚應該能夠像我們自己的皮膚一樣發揮作用，”英國劍橋大學的材料學科學家Stephanie Lacour說：“這意味著人造皮膚將能夠感受得到側剪切力的作用例如在大腿上輕輕地搔抓，這是非常不容易辦到的。”

Javey亦認為制造全功能的人造皮膚還存在許多的困難需要克服。他認為機器人的應用或許會更快一些。“我們下一步的工作就是擴大生產獲得足夠覆蓋機器人全身的人造皮膚，”Javey說。

圣三一大學實用性納米結構和設備研究中心的化學家John Boland 對兩個科研小組的工作進行了追蹤報道，他相信終有一天人造皮膚將兼具兩個裝置的靈活性和壓力敏感性特征。

Boland對兩個小組的研究工作留下了極深的印象。“相信在不久的將來人造皮膚能夠被用于改良假肢，或者幫助外科醫生進行微創性手術時更好地把握他們的工作。”Boland說。