機器人會喊疼？新型電子皮膚能感知疼痛，或用於皮膚移植，背後是三項專利技術

（示意圖/取自pixabay）

知冷暖、感受疼痛，再也不只是人類「專屬」了。

作為能讓機器人產生真實觸感的系統，電子皮膚大大提升了機器人的柔韌性和延展性，卻無法做到像人類皮膚一樣對疼痛做出反應。不過，一組澳洲墨爾本皇家理工大學（RMIT University）的研究團隊近日宣布，通過設計三種功能完備的皮膚感受器，電子皮膚終於也能感受到疼痛刺激了。

2020年9月1日，該團隊題為Artificial Somatosensors: Feedback Receptors for Electronic Skins（人工身體感測器：電子皮膚的回饋受體）的研究成果，發表於期刊Advanced Intelligent Systems（先進智慧系統）。

電子皮膚能感知疼痛嗎？

我們都知道，皮膚就是附在人體表層、直接與外界環境相接觸的組織。實際上，遍及全身的皮膚是人體最大的器官，具有保護身體、排汗、感知冷熱與壓力等功能。

能夠感知到外界資訊變化，主要原因就在於皮膚由複雜的感測器組成。每當感測器檢測到刺激，將會迅速向中樞神經系統發出訊號，產生反應。

基於上述特性，旨在通過模擬人類皮膚感測功能，實現甚至超越其性能的「電子皮膚」應運而生。除了機器人領域，電子皮膚在人工義肢、醫療檢測和診斷等方面也展現出了應用前景。

近年來，人們對電子皮膚提出了更高的要求，電子皮膚已然發展到了超薄、可拉伸、可進行多參數檢測的地步。

比如2013年，加州大學科學家研發出了能在一毫秒內迅速響應的「互動壓力感測器皮膚」，一塊沈積了一層薄聚合物、一層電晶體、一個有機LED、一個壓力感測器的矽晶片。

2014 年，德州大學奧斯汀分校科學家研發出了長4釐米、寬2釐米、厚0.003釐米的電子皮膚，這一內置了溫度感測器、抗低壓RAM、微尺度換熱器的可伸縮高分子材料，能通過靜電力吸附在我們的皮膚上，用於幫助治癒帕金森氏症及癲癇症患者。

電子皮膚發展至今，還不能真實地模擬人類對於疼痛感的反應，而這恰好是上述RMIT研究團隊的切入點。

電子皮膚包含哪些技術？

在論文中，研究團隊主要展示了三個關鍵的皮膚感受器：環層小體、熱感受器和痛覺感受器。

這裡需要解釋的是，環層小體（lamellar corpuscle）又名潘申尼小體（pacinian corpuscle），呈卵圓形或球形，直徑1～4mm。在生物體中，它廣泛分布在皮下組織、腸系膜、韌帶和關節囊等處，主要作用是感受壓覺和振動覺。

不難看出研究團隊的主要目的，就是設計一款能感受壓力、溫度、疼痛的電子皮膚。

我們可以將上述三種感受器理解為多種功能單元的組合，包括：

研究團隊還表示，製造過程不需要單獨、複雜的熱電模塊或是用於概念體感器實際翻譯的壓電壓力感測器。

值得一提的是，這項研究已獲得臨時專利，而在這項研究中，還結合了該團隊先前已獲專利的三項技術，具體包括：

電子皮膚如何感知刺激？

論文中，研究團隊展示了三種感受器的工作流程。

下圖a部分，展示的是三個感受器接收到刺激的情況：感受器通過灰質後角連接到脊髓，脊髓將資訊傳遞給大腦。資訊傳遞有兩個通道，分別用於壓力檢測（藍色部分）和溫度檢測（紅色部分）。當壓力、溫度或疼痛達到設定閾值時，三個感受器的儲存單元都將觸發響應。

具體到各個感受器，環層小體未受刺激時，兩路均為中等電流（b 部分）；環層小體受到壓力時，顯著的大電流通過憶阻器（c 部分）。

無溫度施加時，熱感受器和痛覺感受器無電流流過憶阻器（d 部分）；當溫度作用時，熱感受器和痛覺感受器會在憶阻器中觸發導電燈絲，產生大電流（e 部分）。

最終，研究團隊證明了，這款電子皮膚具有對超出閾值的壓力、溫度、疼痛刺激做出真實表現特徵及反應的能力。

對此，RMIT功能材料和微系統小組聯合負責人、論文合著者之一 Madhu Bhaskaran教授表示：「疼痛感應電子皮膚，是朝著下一代生物醫學技術和智慧機器人技術發展的重大進步，也是未來反饋系統發展的關鍵一步，我們需要交付真正的智慧義肢和智慧機器人。」

Madhu Bhaskaran教授還做了一番展望：「未來若傳統的皮膚感應方法不再可行，可拉伸電子皮膚也可能成為非侵入性皮膚移植的一種選擇。」

自然，我們可以大膽想像一下，未來機器人也會有痛覺。