人工智能（AI）和机器人技术的研发继续探索生物体与机器的接口。基于人工智能的电动假肢手臂和腿，以及将假肢与人类大脑活动连接起来的脑机接口，旨在最终成功地完全模仿人类的身体功能，并作为疾病和受伤患者的医疗解决方案。然而，为了将假肢等机械致动器与人体更无缝地集成，有必要开发一种覆盖身体和机械部件的大型、精细且可拉伸的传感器。电子皮肤（e-skin）将消除生命体和机器部件之间的界限。近日，斯坦福大学鲍哲南等人报道了一种模仿生物皮肤感觉反馈的神经形态电子皮肤系统，可以满足与活体整合的所有基本要求。该电子皮肤可以模仿手指、脚趾或肢体在被戳或烫伤时移动的过程。该技术可能会导致假肢覆盖物的开发，这种覆盖物会给佩戴者一种触觉，或者帮助皮肤受损的人恢复感觉。
图|支持感觉运动回路的电子皮肤
从机械上讲，身体是一个覆盖皮肤的传感器和一个将输入能量转换为预期物理运动的致动器。皮肤表面的感觉器官以高灵敏度感知外部刺激，如压力、疼痛和温度。因此，我们可以感觉到危险（刺激）并立即移动我们的身体（反射反应）。开发一种完全模仿活体皮肤功能的电子皮肤系统的主要挑战是建立一种感觉反馈机制。感觉反馈是皮肤感知的感觉信息通过神经传递到大脑。大脑必须首先处理传递的感觉信号，然后操作肌肉。这种感觉运动神经系统（感知和运动的闭环）对于实现自然身体功能至关重要。传感器阵列对于模拟生物体的皮肤功能至关重要；它们由排列成多维阵列的多个探测器组成。通过建立多通道传感器阵列，可以模拟人类皮肤的复杂感觉功能。然而，生成多行脉冲序列信号模式并通过神经将它们传送到大脑是一项挑战。生物体通过使用频率调制信号对输入幅度信息进行编码并沿着神经传播感觉信息来完成这种感觉信息的传输。换句话说，它同时是一个信号数字化电路，可将来自感觉受体的模拟信号转换为脉冲序列信号模式，同时也是一个人工突触，可调节电流幅度并引起身体运动。为了实现适合完成日常任务的功能性人机界面，必须开发具有模拟生物功能（例如多模态传感、神经形态信号处理和闭环驱动）的类皮肤特性的电子系统，这比简单地制造传感器阵列更难。于此，研究人员创造了可以在低电压 (0.5 V) 下驱动的可拉伸场效应晶体管和全固态突触晶体管以及它们的集成技术。可伸缩有机晶体管以三层高介电常数弹性体电介质为核心技术，提供与多晶硅晶体管相媲美的低电压驱动、低功耗和适度电路集成等电性能。通过由这种可拉伸的高性能有机设备组成，该电子皮肤能够进行多模式感知、神经形态学脉冲序列信号的生成和闭环驱动，从而模仿生物感觉运动回路。
图|低电压驱动的人工软电子皮肤系统实现了仿生双向信号传输由于电子皮肤系统的所有基本组件都可以重现生物感知-驱动回路，研究人员在活体大鼠模型中测试了该平台的实用性。研究人员将柔软的电子皮肤连接到大鼠的体感皮层以重现皮肤感觉。这有望在运动皮层中引发反馈反应。诱发的运动信号会刺激坐骨神经，然后通过人工突触，信号会激活下游肌肉，完成人工感觉运动回路。在实验中，施加在传感器上的不同大小的压力会触发对体感皮层的数字化输入，从而成功刺激运动皮层中神经元的放电。
通过合理的材料设计和设备工程，研究人员实现了一个无需刚性电子元件的单片集成、柔软的电子皮肤系统，该系统具有低驱动电压、高电路复杂性和仿生感觉反馈功能。所描述的神经形态系统将皮肤的所有所需电气和机械特征结合在一个单一的设备平台中。这一进展将有助于为下一代假肢皮肤、人机界面和神经机器人铺平道路。神经形态电子皮肤系统的开发有望对广泛的工业领域产生重大影响。例如，穿着电子皮肤的机器人可能能够像人类一样感受疼痛和压力，从而更好地确保陪伴人员的安全。目前，皮肤损伤和截肢对感知和运动的闭环造成了巨大破坏，抓取物体等简单任务对患者来说变得具有挑战性。如果可以使用神经形态电子皮肤系统重建感知和运动的闭环，这些患者的生活质量将会得到改善。数字技术的进步正在将信息空间与物理空间结合起来。未来对电子皮肤的研究应以更快的感觉反应、更精细的感觉器官以及更高密度和多模态的感知传感器元件为目标。
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DOI: 10.1126/science.adf0262https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade0086
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