在过去的十年里，人工智能(AI)和电子皮肤(electronic skin)领域均实现了重大突破。电子皮肤作为一种非侵入式的医疗接口，正在改变医疗实践，通过持续监测生理和生化信息来实时量化追踪健康状况。在大数据和数字医学的推动下，下一代电子皮肤预计将结合人工智能来优化设计，并进行自主数据分析以评估用户健康。然而，电子皮肤所收集的敏感数据与互联网的大数据有很大不同，在采集处理、安全性、存储和泛化方面面临诸多挑战，且数据的有限性限制了研究的深度和广度。2023年12月18日，加州理工学院医学工程系高伟教授与博士生许昌浩、Samuel Solomon在Nature Machine Intelligence杂志在线发表题为 “Artificial Intelligence-Powered Electronic Skin” 的综述文章，该文章深入分析了人工智能在材料设计、数据处理、人机交互和健康监测中的关键应用，同时指出了当前面临的挑战和未来研究的方向。作为一种可穿戴的集成式电子平台，电子皮肤不仅模仿了人类皮肤的功能，更在某些方面实现了超越。电子皮肤技术以其灵活性和紧密贴合的特点而著称，可广泛应用于机器人和人体不同部位，用于持续无创监测生物信号。这一特性使得电子皮肤在机器人、假肢、临床医学领域中，与传统的大型设备形成了鲜明对比。电子皮肤被设计成一种可独立运行的集成系统，可以被用作智能绷带、手腕带、纹身式贴片、纺织衣物、戒指、口罩，或是植入袜子和鞋子等多种形式。这些人机界面的多样性使其适用于广泛的应用场景。相比于传统的刚性可穿戴设备，柔软的电子皮肤能够与皮肤无缝结合，实现紧密而稳定的接触，最小化了由运动引起的信号噪音和穿戴不适。这些电子贴片设计灵活，方便使用者将其应用于任意目标部位，通过无线连接便可以持续、非侵入性地监测多种信号，从而超越了传统的密集医疗护理，成为理想的可穿戴系统。随着远程和家庭护理需求的增长，电子皮肤在个人健康监测、虚拟现实、远程医疗、早期疾病检测以及COVID-19追踪和监测等领域发挥着重要作用。
在机器人学和临床医学中，电子皮肤通过持续监测多模态数据，正引发一场创新革命。数据分析在解释由各类传感器生成的大量复杂生物数据中，扮演着越来越重要的角色。尽管传统的电子皮肤数据分析大多依赖于人工手动处理，其信号处理和数据评估的过程耗时且解读视角有限，但最近深度学习领域的发展为健康应用的大数据评估开辟了新的可能。人工智能能够揭示传统数据分析方法难以捕捉的医学洞见，并提供准确的预测，这在某些情况下甚至可以模仿或超越人类专家的水平。人工智能赋能电子皮肤，已成为推动远程机器人学和健康监测创新的主要驱动力。
图1. 人工智能赋能的电子皮肤（图源自Nature Machine Intelligence）
本文详细介绍了电子皮肤技术的最新发展。首先介绍了电子皮肤中的新兴传感器生态，机器学习的任务和动机。随后讨论人工智能如何通过优化传统材料设计和促进传感器的监测性能，从而助力分析与决策。文章还突出了人工智能赋能的电子皮肤在人机接口和个性化医疗中的应用实例。最后，系统探讨了在人工智能和大数据时代，电子皮肤面临的挑战和未来前景。
图2. 电子皮肤中的传感器生态（图源自Nature Machine Intelligence）总之，人工智能赋能的电子皮肤正在革新机器人学和临床医学领域。尽管面临数据处理、安全和泛化的挑战，以及高质量生化数据的收集难题，电子皮肤平台带来了优化设计、提高传感器性能、整合云存储和保护数据隐私的新机遇。跨学科合作，特别是材料科学、工程师、医生和数据科学家之间的协作，对于发挥电子皮肤的广阔应用至关重要。这一技术不仅预示着机器人学和数字医学领域的新时代，还可能模糊生物与非生物系统的界限，为未来的人机融合铺平道路。Xu, C., Solomon, S.A. & Gao, W. Artificial intelligence-powered electronic skin. Nat Mach Intell 5, 1344–1355 (2023).https://doi.org/10.1038/s42256-023-00760-z
