以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿
电子皮肤实现神经形态感官反馈
人工智能（AI）和机器人技术的研究和发展正在不断探索生物体与机器之间的交互界面。基于人工智能的机动化假肢以及脑机接口的发展，旨在最终实现对人类身体功能的完全模仿，并作为医疗解决方案为患有疾病和受伤的人提供服务。然而，为了更好地将机械执行器（如假肢）与人体紧密结合，我们需要开发一种大型、精致且可拉伸的传感器技术，以实现身体和机械部件的完美融合。电子皮肤的应用将消除人体和机器部件之间的界限。
在最新一期的《Science》杂志上，斯坦福大学的鲍哲南团队成功实现了一个完整的软体假体电子皮肤（e-skin）。这项技术具备多模态感知、神经形态的脉冲序列信号生成和闭环驱动的能力。通过采用三层高渗透率弹性电介质，他们成功实现了可拉伸的有机器件，其低亚阈值波动、低工作电压、低功耗和中等规模电路集成复杂性能够与多晶硅晶体管相媲美。这种电子皮肤模拟了生物感应运动回路，当施加越来越大的压力刺激时，固态突触晶体管会产生更强的驱动力。相关研究成果题为《Neuromorphic sensorimotor loop embodied by monolithically integrated, low-voltage, soft e-skin》发表在《Science》上，第一作者是Weichen Wang，Yuanwen Jiang、Donglai Zhong和Zhitao Zhang为共同一作。
支持感觉-运动闭环的电子皮肤
人工感觉感受器有可能对外部刺激作出反应，例如温度和压力。在这样一个神经形态系统中，低电压驱动的电路将输入的模拟信号编码为脉冲序列，可以沿着神经传递到大脑。接着，反应从大脑发出，通过人工突触调节电流，引起身体运动。
从机械角度来看，身体是一个覆盖在皮肤上的传感器和执行器，它将输入的能量转换为特定的物理运动。皮肤表面内的感觉器官以高度敏感的方式感知外部刺激，例如压力、疼痛和温度。我们可以感知到危险刺激并立即移动我们的身体以做出反射性反应。
图1 低压驱动的人工软电子皮肤系统可实现仿生双向信号传输
开发一个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个感觉反馈机制。感觉反馈是将皮肤感知的感觉信息通过神经传递给大脑。大脑必须首先处理传输的感觉信号，然后操作肌肉。这种感觉运动神经系统（感知和运动的闭环）对于实现自然的身体功能至关重要。
传感器阵列对于模仿生物体的皮肤功能至关重要；这些传感器由多个探测器组成，在多维阵列中排列和对齐。通过建立多通道传感器阵列，有可能模仿人类皮肤的复杂感觉功能。然而，产生多排脉冲信号模式并通过神经将其传递给大脑是一个挑战。生物体通过将输入的振幅信息用频率调制信号进行编码，并沿神经传播感觉信息来完成这种感觉信息的传递。换句话说，它同时是一个信号数字化电路，将来自感觉受体的模拟信号转换为尖峰序列信号模式，也是一个人工突触，调制电流振幅并引起身体运动。为了实现适合日常任务的功能性人机界面，必须开发一个具有类似皮肤特性、模仿生物功能的电子系统，如多模态传感、神经形态信号处理和闭环驱动，这比简单地制造一个传感器阵列更具挑战性。
作者开发了一种神经形态的电子皮肤系统，满足了与生物体整合的所有基本要求。作者创造了可拉伸的场效应晶体管和全固态突触晶体管，可以在低电压（0.5V）下驱动，并创造了它们的集成技术。
图2三层高渗透率弹性电介质，用于高性能和低压可拉伸有机晶体管和电路
图 3.用于生成仿生脉冲序列的低压驱动软电路系统
可拉伸有机晶体管由三层高介电常数弹性体电介质作为核心技术，提供与多晶硅晶体管相当的电气性能，如低压驱动、低功耗和适度的电路集成度。通过由这种可拉伸的高性能有机器件组成，此电子皮肤能够进行多模态感知，产生神经形态学的脉冲序列信号，并进行闭环驱动，从而模仿生物传感器运动回路。
由于电子皮肤系统的所有基本组件都能重现生物感知-驱动循环，作者在一个活体大鼠模型中测试了该平台的效用。作者将柔软的电子皮肤连接到大鼠的体感皮层，以再现皮肤感觉。预计这将引起运动皮层的反馈反应。诱发的运动信号将刺激坐骨神经，通过人工突触，信号将激活下游的肌肉，完成人工感觉运动环路。在实验中，施加在传感器上的各种大小的压力触发了对体感皮层的数字化输入，这成功地刺激了运动皮层的神经元的发射。
图 4.全固态软人工突触，用于根据输入频率驱动下游身体运动
图 5.用于人工感知-驱动回路的低压驱动软电子皮肤系统
神经形态电子皮肤系统的发展预计将对广泛的工业领域产生实质性影响。例如，披着电子皮肤的机器人可能能够像人类一样感受到疼痛和压力，从而更好地确保它们所陪伴的人的安全。目前，皮肤损伤和截肢对感知和运动的闭环造成了巨大的破坏，抓取物体等简单的任务对病人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，这些病人的生活质量将得到改善。
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、更高密度和多模态的传感器元件为目标进行感知。
来源：高分子科学前沿
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