新 視 野

　　據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，繼高靈敏度和自我發(fā)電兩大創(chuàng)新之后，美國(guó)斯坦福大學(xué)的女科學(xué)家鮑哲南領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)為人造電子皮膚新添了透明和可拉伸功能，讓人造電子皮膚朝人類真實(shí)皮膚更近了一步。

　　這是人類對(duì)人造皮膚進(jìn)行研究獲得的最新成果。目前，有很多科研團(tuán)隊(duì)在人造皮膚的研究上大做文章，研究成果也紛至沓來(lái)，比如可監(jiān)測(cè)病人心率甚至腦電波的“電子紋身”、可作為電子接口聯(lián)通人和機(jī)器的人造皮膚等等，美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志網(wǎng)站近日就此為我們進(jìn)行了梳理。

　　皮膚的功能越來(lái)越多樣

　　在所有人類器官中，皮膚常常被我們忽視和胡亂對(duì)待，但是，皮膚非?？煽?，它是我們的身體器官和組織的“保護(hù)神”，通過(guò)傳遞各種感覺幫助我們避免傷害，確保我們身處合適的溫度和環(huán)境下。另外，皮膚的自我更新和恢復(fù)功能也非常強(qiáng)大。

　　不僅如此，皮膚的一些特性也可以應(yīng)用于其他方面，比如幫助安裝了義肢的人重新獲得他們已經(jīng)失去的某些能力。而且，一些具有觸覺感知能力的電子皮膚能幫助義肢理解握緊一個(gè)蘋果、一雙手或一塊鋼鐵所需力量的細(xì)微差異。

　　現(xiàn)在，有很多科學(xué)家正在嘗試復(fù)制皮膚所擁有的這些讓人受益的屬性，研制各種人造皮膚。有的科學(xué)家正在建造微小的可拉伸的電子設(shè)備，以便賦予義肢真正的觸感。也有科學(xué)家們正在拓展人類皮膚本身的性質(zhì)，讓其變身為21世紀(jì)連接人機(jī)之間的“橋梁”。

　　由納米墨水制成的導(dǎo)電“紋身”

　　科學(xué)家們表示，某一天，人類可能不再需要給慢性病患佩戴電子監(jiān)視設(shè)備來(lái)跟蹤其葡萄糖濃度和心率。這些病患的皮膚將為他們做這些事情，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，他們的“紋身”將做這些事情。使用導(dǎo)電材料、熒光材料或納米粒子液體刻寫的紋身將成為一種不那么笨重、不令人討厭和感覺麻煩的醫(yī)療監(jiān)測(cè)手段。

　　美國(guó)西北大學(xué)的藥學(xué)教授希瑟·克拉克正在進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，試圖制造出能讓人一直處于聯(lián)系狀態(tài)的可嵌入設(shè)備。今年夏天，她展示了首款肉眼看不見的納米粒子“紋身”，該紋身能通過(guò)在某些光線下發(fā)出熒光來(lái)監(jiān)測(cè)血液中葡萄糖和鈉的濃度。

　　美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》雜志介紹道，該紋身由120納米寬的納米液滴組成，這些液滴包含有一個(gè)熒光染料以及能依附于某些化學(xué)物質(zhì)之上的傳感器分子，分子越多產(chǎn)生的熒光也越強(qiáng)。一款配備了特殊濾光鏡的iPhone手機(jī)可作為光源。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們用iPhone手機(jī)的攝像頭為熒光拍攝了一張照片并使用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析，以確定生物標(biāo)簽的濃度?？死讼Ｍ?，他們最終能開發(fā)出一套可以閱讀輸出數(shù)據(jù)的iPhone手機(jī)應(yīng)用程序。

　　美國(guó)麻省理工學(xué)院的工程師們也制造出了旨在幫助糖尿病患者持續(xù)監(jiān)測(cè)其葡萄糖濃度的納米粒子“紋身”。工程師們表示，這些粒子也會(huì)在葡萄糖和紅外光出現(xiàn)時(shí)發(fā)熒光，使用者能通過(guò)穿戴某些電子設(shè)備來(lái)提供紅外線光束并解釋熒光所代表的意義。

　　盡管將這兩套“紋身”加于人身上并非毫無(wú)痛苦，但與傳統(tǒng)方法相比，這兩套系統(tǒng)的侵入性毫無(wú)疑問要小得多。

　　讓機(jī)器擁有觸覺

　　最近幾年，義肢越來(lái)越完善，但即使最好的義肢也沒有人體皮膚所擁有的最微妙的感受，也就是說(shuō)，義肢沒有觸摸別人或被別人觸摸帶來(lái)的溫馨感覺。然而，新的電子皮膚或許朝制造出擁有觸覺的義肢邁近了一大步。

　　德國(guó)研究人員就在進(jìn)行類似的嘗試，他們正在制造一些特殊的皮膚：這些皮膚本身并不擁有觸覺，但卻能夠非常精確地“說(shuō)出”其接觸的物體是什么。據(jù)英國(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家們制造出了一個(gè)約0.75平方英尺的6邊形電路板，每個(gè)電路板配備有4個(gè)紅外線傳感器和6個(gè)溫度傳感器。科學(xué)家們表示，這些傳感器能探測(cè)大約1厘米距離內(nèi)的物體，約等于人皮膚上的微小毛發(fā)能感受到的物體距離。研制出這款皮膚電路的菲利普·米藤多爾弗爾表示：“借用這一方法，我們模擬了人類皮膚的輕觸覺。”

　　研究人員表示，這種機(jī)器人皮膚像人類皮膚一樣，當(dāng)被某物體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生自發(fā)性退縮，這將有效地為機(jī)器人在環(huán)境中導(dǎo)航。另外，該機(jī)器人皮膚還將提供重要的觸覺信息至機(jī)器人，并通過(guò)相機(jī)眼、紅外掃描器和攥緊手掌而獲得感知能力。

　　不過(guò)，這種方法需要非常堅(jiān)硬的材料。而現(xiàn)在，歐洲和美國(guó)的其他科研團(tuán)隊(duì)正在研制由可拉伸的表面（其能像真實(shí)的皮膚一樣彎曲）制成的有觸感皮膚。英國(guó)劍橋大學(xué)納米科學(xué)中心的史蒂芬尼·拉庫(kù)就是其中的翹楚，他領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正嘗試在一個(gè)透明的彈性硅膠上制造出能無(wú)損地拉伸和變形的電路。這種彈性材料能包裹四肢、手指，有望應(yīng)用于皮膚移植甚至將皮膚用做觸摸屏接口等領(lǐng)域。

　　可拉伸的電子皮膚“出爐”

　　在美國(guó)加州，有幾個(gè)科研團(tuán)隊(duì)正在著力研制可拉伸的、能讓機(jī)器具有觸感的電子皮膚。

　　其中一種皮膚由斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系副教授鮑哲南領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)研制而成，其敏感度是人體皮膚的1000倍，而且具有可拉伸功能。

　　去年9月，鮑哲南團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種可模擬人類皮膚的高靈敏度柔性塑料薄膜材料。這種材料由高靈敏的電子感應(yīng)器組成，當(dāng)無(wú)數(shù)感應(yīng)器連成一片時(shí)，就形成與人類皮膚相似的薄膜。這種電子皮膚能感知一只蝴蝶停在上面的壓力，可被廣泛用于義肢、機(jī)器人、手機(jī)和電腦的觸摸式顯示屏、汽車方向盤和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。今年2月，鮑哲南團(tuán)隊(duì)再接再厲，創(chuàng)造性研制出了全球最新的可拉伸太陽(yáng)能電池，使電子皮膚實(shí)現(xiàn)了自我發(fā)電。如今，鮑哲南團(tuán)隊(duì)又利用納米材料為這種皮膚增加了透明和可拉伸功能，距離人類皮膚的功能越來(lái)越近。

　　鮑哲南團(tuán)隊(duì)研制出的皮膚建立在有機(jī)半導(dǎo)體之上，其是由彈性材料和兩個(gè)電極組成的“三明治”。加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們研制出的另一款人造皮膚模型也基于同樣的原理，但其由無(wú)機(jī)納米線電路組成。

　　可剝落的表皮電子設(shè)備

　　讓紋身永遠(yuǎn)停留在身上并非好選擇，能隨時(shí)剝落的紋身才是人們的心頭所好。今年10月份，美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的科學(xué)家們宣布，他們新研制出了一種可剝落的表皮電路，其可像臨時(shí)紋身一樣附著于皮膚之上，這種小型電路也能隨皮膚而彎曲和拉伸，可用來(lái)測(cè)量心率、肌肉活動(dòng)、腦電波等生命體征，讓醫(yī)院不再需要對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)護(hù)所使用的笨重電極。該裝置還可用做電子繃帶來(lái)加速傷口的愈合，用于燒傷以及其他皮膚疾?。凰踔吝€可為人造義肢帶來(lái)觸覺。

　　該裝置的中層由感應(yīng)器、電子原件、電源及發(fā)光元件所需要的金屬、半導(dǎo)體和絕緣體成分組成，該設(shè)計(jì)將所有這些必需的元件擠壓到一個(gè)超薄層中，其厚度大約為人的一根頭發(fā)。

　　這種電子皮膚位于一層橡膠樣的聚酯之上，它具有的力學(xué)性質(zhì)與自然皮膚的力學(xué)性質(zhì)非常匹配。該裝置通過(guò)純粹的吸力黏附在皮膚上，這種被稱作范德華力的微弱力量是存在于相同物質(zhì)分子間的引力，它不會(huì)干擾正常的皮膚運(yùn)動(dòng)，因此，可像臨時(shí)紋身一樣用于皮膚。

　　批量生產(chǎn)人造皮膚

　　燒傷病患和其他病人需要的皮膚要么是接受移植而來(lái)；要么剜肉補(bǔ)瘡，從自己身體的其他組織處獲得，然而，皮膚移植是個(gè)非常痛苦且危險(xiǎn)的過(guò)程，而且效率也不高。因此，人們迫切希望能有一種可用的、容易移植的人造皮膚?，F(xiàn)在，德國(guó)研究人員表示，他們已經(jīng)找到了大量制造出這種皮膚的方法。

　　在德國(guó)弗勞恩霍夫表面工程與生物技術(shù)研究所，科學(xué)家們建造了一個(gè)新的皮膚工廠，該工廠每月能制造出5000塊硬幣大小的白色的半透明組織?？茖W(xué)家們表示，他們也能夠制造出棕色的皮膚。整個(gè)皮膚制造過(guò)程由機(jī)器人控制，機(jī)器人監(jiān)控細(xì)胞的液體培養(yǎng)基的情況并小心翼翼地切除色樣以預(yù)防感染。

　　不過(guò)，到目前為止，這些物質(zhì)還沒有被用于皮膚移植，但科學(xué)家們表示，未來(lái)，他們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的流水線制造出皮膚、氣管等身體組織。這種皮膚目前主要用于化妝品檢測(cè)。

　　借助其它動(dòng)物生產(chǎn)人造皮膚

　　在培養(yǎng)皿中種植出人體組織聽起來(lái)或許毫無(wú)吸引力，不過(guò)，人們正在考慮借用動(dòng)物，制造出人造皮膚。

　　今年夏天，德國(guó)科學(xué)家提出，蜘蛛絲作為可生物兼容、可生物降解的基體膠液可用于皮膚修復(fù)。這些科學(xué)家使用金絲網(wǎng)蜘蛛的蜘蛛絲，在金屬框架上編織皮膚模型，并使用纖維組織母細(xì)胞來(lái)孵化它們，這為身體連接組織提供了結(jié)構(gòu)背景。這些研究人員在《公共科學(xué)圖書館—綜合》雜志上撰文指出，通過(guò)朝這些模型中添加皮膚細(xì)胞前體，他們能制造出包含有真皮和表皮的人造皮膚。

　　其它動(dòng)物的組織也可用作皮膚組織生長(zhǎng)的基質(zhì)，但蜘蛛絲比較簡(jiǎn)單，而且其生物降解能力強(qiáng)，因此，是一個(gè)很好的選擇。

　　皮膚防彈不是夢(mèng)

　　美國(guó)猶他州立大學(xué)的科學(xué)家蘭迪·路易斯與同事最近發(fā)明了一種完全可進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的新工藝，他們利用植入了蜘蛛基因的山羊和桑蠶，產(chǎn)出了“絲纖維”。

　　蛛絲是人們已知的最強(qiáng)韌的纖維，強(qiáng)度是鋼的5倍。盡管路易斯等人制造出的“絲纖維”并沒有那么柔韌，但其也比普通桑蠶紡出的絲要強(qiáng)韌許多。在路易斯的幫助下，荷蘭藝術(shù)家賈里拉·埃塞迪進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用人體皮膚細(xì)胞和這種絲纖維編織出了一小片能防彈的皮膚。

　　埃塞迪最初想將路易斯發(fā)明的這種哺乳動(dòng)物與蜘蛛的結(jié)合體身上的“怪誕因素”商業(yè)化。但路易斯沒有足夠多的“蛛羊絲”，于是，就給了她幾卷桑蠶吐出的蠶絲，那些蠶絲是他用基因工程仿造“蛛羊”培育出的桑蠶吐出來(lái)的。

　　埃塞迪一開始打算將“防彈皮膚”繃在框架上，用0.22口徑的子彈朝它開槍，但她最終決定將其放在荷蘭法醫(yī)研究所使用的一塊特殊的凝膠塊上來(lái)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

　　她用高速相機(jī)拍下了子彈以減緩的速度穿透普通蠶絲織成的“皮膚”的過(guò)程，然后，再將路易斯給她的基因工程培育出的“蛛蠶絲”織成的一片織物嫁接在表皮與真皮之間，再進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，皮膚沒有損傷。然后，她又用0.22口徑的步槍進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，子彈調(diào)整為正常速度，新皮膚仍毫發(fā)無(wú)損。

　　埃塞迪對(duì)用蛛絲制造盔甲這一念頭極為入迷。她說(shuō)：“如果人體皮膚能產(chǎn)生這種絲纖維，那我們不就可以防彈了嗎？”

　　而路易斯則對(duì)這項(xiàng)研究在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用不那么熱切，他說(shuō)：“防彈馬甲已經(jīng)存在，這項(xiàng)發(fā)明更重大的意義在于醫(yī)學(xué)方面。通過(guò)細(xì)胞培育可制造出大面積的人造皮膚，供外科醫(yī)生用來(lái)覆蓋大型傷口或治愈嚴(yán)重?zé)齻颊摺?rdquo;

　　路易斯表示，這項(xiàng)應(yīng)用何時(shí)開始還說(shuō)不準(zhǔn)，因?yàn)檫€需要得到美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）的許可。但他希望在兩年內(nèi)進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，他也強(qiáng)調(diào)，此前已有科學(xué)研究證明，蜘蛛絲能夠很好地與人體兼容。

　　路易斯表示，下一步將是制造出更多材料以測(cè)試什么細(xì)胞可以在其上生長(zhǎng)，他說(shuō)：“我們知道，有些皮膚細(xì)胞會(huì)在其上生長(zhǎng)，但我們能讓跟腱細(xì)胞和韌帶細(xì)胞在其上生長(zhǎng)嗎？使用轉(zhuǎn)基因絲或許更容易制造比跟腱或者韌帶更好的材料。”

　　皮膚作為電子接口

　　科學(xué)家們也正在努力研究，試圖將皮膚變成顯示屏的接口。這些接口就像納米粒子“紋身”一樣，但不僅于此，諸如皮膚輸入（Skinput）等設(shè)備將身體傳感帶到了另一個(gè)層次。

　　Skinput是由微軟公司和美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的科學(xué)家合作研發(fā)的一種新科技，它能將手臂化為輕觸式屏幕，可通過(guò)敲打皮膚，在手臂上打電話、上網(wǎng)及玩游戲等。

　　用戶的手臂上會(huì)扣上設(shè)有聲波感應(yīng)器和影像顯示器的手帶。當(dāng)用戶觸動(dòng)手臂，或輕彈手指時(shí)，感應(yīng)器會(huì)接收用戶手臂不同位置發(fā)出的極低聲波，隨即透過(guò)藍(lán)牙，將指令發(fā)至手機(jī)以及電腦等設(shè)備，影像顯示器亦同時(shí)把影像投射至手臂上，令手臂搖身一變成為輕觸式屏幕。

　　科學(xué)家們表示，正處于研發(fā)中的Skinput可用于控制音響裝置、玩俄羅斯方塊等簡(jiǎn)單游戲、打電話及使用簡(jiǎn)單的瀏覽程序。

　　此前，美國(guó)青蛙設(shè)計(jì)公司（Frog Design）設(shè)計(jì)出的一款名為“Dattoo”的設(shè)備可與人更加“親密”。用戶可以在自己的手臂上印上一預(yù)先設(shè)定大小的電子設(shè)備，該設(shè)備包括揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、攝像頭等工具。該設(shè)備也內(nèi)置有用戶的DNA，讓人以最親密的方式與設(shè)備相連。

　　科學(xué)家們認(rèn)為，Dattoo設(shè)備就是一個(gè)臨時(shí)性的“紋身”，其也能用于布料或其他材料的表面，但現(xiàn)在的問題是，它仍然還只是一個(gè)概念。

　　可拉伸、有觸感、可傳感……未來(lái)的人造皮膚可真不可小覷。不過(guò)，據(jù)10月23日的《自然·納米技術(shù)》雜志報(bào)道，讓人造電子皮膚最終擁有與人類皮膚同樣的功能是鮑哲南的研究目標(biāo)，但要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，還需要增加溫度、濕度等傳感器，并能與神經(jīng)細(xì)胞交流。她說(shuō)：“現(xiàn)在的傳感器還不能與神經(jīng)細(xì)胞交流，還需要用電線與細(xì)胞連接起來(lái)，這些都是我們進(jìn)一步努力的方向。”