領導研發“電子皮膚”的美國西北大學材料科學家約翰·羅傑斯，他的臉上貼的是團隊此前設計製造的功能各異的小尺寸“電子皮膚”。 （資料圖/圖）
（本文首發於2019年4月11日《南方週末》）
美國西北大學的材料科學家研發出了一種超大面積、超薄的“電子皮膚”。只需將這種能夠隨意拉伸形變的電子器件貼在皮膚上，進行過定向肌肉再支配手術的殘疾人士就能靈活地支配義肢的活動。這種神奇的“電子皮膚”還具有其他的應用可能，例如對人的腦電圖進行長時間的監控。
全球每年有超過100萬人因為疾病、受傷等原因被截肢。被截肢的殘疾人士不僅會經歷工作和生活上的不便，還可能會承受巨大的身心痛苦（大約有30%的人會患抑鬱症或焦慮症）。義肢為這些殘疾人士重新融入社會，正常地工作和生活提供了幫助，但早期的義肢主要是美觀性的（有一些有簡單而有限的功能）。隨著神經科學、計算機技術等領域的進步，科學家近年來發明瞭一些較為先進的義肢和義肢控制技術，定向肌肉再支配（targeted muscle reinnervation）便是其中引人關注的一種。在定向肌肉再支配手術後，殘疾人士能夠比較靈活地控制義肢，減少工作和生活中的不便。然而這種技術也存在一些缺陷，包括置於體表的神經信號讀取裝置靈敏度和準確性容易受到干擾、透氣性差以及會引起身體不適（讀取裝置堅硬，無法隨身體的活動適當形變）等。
近日，美國西北大學的科學家在最新一期的世界著名科學期刊《自然·生物醫學工程》（Nature Biomedical Engineering）上發表了一項研究成果，介紹了他們發明的一種超大面積“電子皮膚”。只需將這種超薄、透氣、能夠隨意拉伸形變的電子器件貼在皮膚上，進行過定向肌肉再支配手術的殘疾人士就能靈活地支配義肢的活動。除此之外，這一發明還能與磁共振等技術兼容，有利於對其他疾病進行研究、診斷以及治療。
第一個接受定向肌肉再支配手術的殘疾人士傑西·薩利文，從這張圖可以看出，傳統的肌電讀取裝置有笨拙、不透氣等缺陷。 （資料圖/圖）
“電子皮膚”是一個被稱為柔性電子技術（flexible electronics）領域的研發產物。在過去十年間，這個領域的科學家已經研發出了多種極具實用性的電子器件，有的甚至即將商業化。無論是從設計策略還是製造工藝上看，這些電子器件都會讓你歎為觀止，並相信這一領域的進步將顯著地改變我們的生活。
用殘軀控制義肢
當人被截肢後，支配截去部分肌肉的神經卻仍然存在，並且能正常地發出對肌肉的支配信號。定向肌肉再支配技術正是基於這一原理。科學家首先在殘肢或者殘肢的鄰近部位選定一個區域，用這個區域的肌肉作為控制義肢的“信號源”。通過手術，科學家會將支配“信號源”肌肉的神經切斷，並且採用必要的措施阻止這些神經在修復後重新支配這些肌肉。接下來，科學家會將支配截去肢體的神經與“信號源”的肌肉連接，這樣人腦發出的支配截去肢體肌肉的神經信號就會被傳給“信號源”的肌肉，這也正是這種技術被稱為定向肌肉再支配的原因。當支配肌肉的神經信號傳到肌肉時，肌肉細胞的電生理特徵會發生變化，這種變化可以被記錄肌電圖（electromyogram，EMG）的電極記錄到。因此，如果在“信號源”處安裝上記錄肌電圖的電極，當殘疾人士嘗試（一定程度可以認為就是“想”）活動已經被截去的肢體（比如嘗試屈肘）時，電極就能從“信號源”的肌肉中讀取到這種指令，並將這種指令傳遞給義肢的控制終端，從而完成屈肘動作。
以2004年完成的第一例手術為例。美國西北大學的研究人員對一位名叫傑西·薩利文（Jesse Sullivan）的雙臂高位截肢（截肢至雙肩）的殘疾人士進行了手術，將控制已被截去的手臂的四組神經與胸大肌和胸小肌相連。五個月後，通過記錄相應的肌電信號，電極能夠讀取出轉而傳遞到胸大肌和胸小肌的神經指令，並將指令傳遞給義肢，使薩利文不僅能夠控制義肢的活動，而且可以同時控制兩個自由度的活動（比如同時屈肘和轉動手腕），遠遠勝過了此前有一定功能性的義肢（這些義肢主要是通過殘肢的活動來控制的，對於高位截肢的人來說，無論是靈活性還是能夠完成的動作都非常有限）。手術的成功引起了各方的強烈關注，並且在更多截肢的殘疾人士上進行了臨床試驗，美國軍方的國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）也開始為相關研究提供資助，希望這一技術未來能夠為殘疾士兵融入社會，正常工作和生活提供幫助。
控制義肢的“電子皮膚”
雖然現有的定向肌肉再支配技術為殘疾人士的工作和生活提供了很大的便利，但仍然存在一些缺陷，這其中採集肌電信號的裝置尤其如此。一方面，採集肌電信號的金屬電極非常堅硬，並且不能形變（每個電極的直徑約為1釐米，每個肌電信號採集裝置有多個電極），這不僅會給身體帶來不適感，而且在軀體活動時有可能影響電極與身體的接觸，導致無法精確地採集信號，從而影響到對義肢的操控；另一方面，為了使電極儘可能與皮膚貼緊，這些電極是被包裹在一層皮套裡的，皮套的重量不僅會給使用者帶來更大的負擔（傑西·薩利文就需要穿上一個皮“馬甲”），而且還會導致記錄的區域透氣性差，讓使用者感到不適，累積的汗水還會影響電極正常工作。要想使用者能夠更精準、更舒適地控制義肢，這些問題都亟待解決。
在這項新的研究中，美國西北大學的材料科學家約翰·羅傑斯（John Rogers）領導的團隊研發製造出了一種超大面積、超薄的“電子皮膚”。當把這種“電子皮膚”貼在接受了定向肌肉再支配手術的人的“信號源”上後，殘疾人士就能靈活地控制義肢。
在貼上羅傑斯團隊研發的“電子皮膚”後，接受了定向肌肉再支配手術的殘疾人可以靈活地控制義肢。這種“電子皮膚”還有精準、輕便、透氣、不易受干擾以及不怕水等特點。 （資料圖/圖）
與傳統的肌電採集裝置比，這種“電子皮膚”最難以匹敵的優點是超輕、超薄、可形變以及覆蓋面廣。
整個“電子皮膚”主要分為三層。直接與皮膚接觸的一層是負責採集肌電信號的電極以及連接電極的金屬線；第二層是一種黏度適中的黏膠，“電子皮膚”正是通過這種黏膠粘貼到皮膚上的（無論是電極還是金屬線，都不是實體一塊，而是有空隙的，黏膠正是通過這些空隙與皮膚接觸的）；最外面一層的主要作用則是為“電子皮膚”提供支撐和保護。
所有這三層加在一起總共0.1毫米厚，只有傳統記錄裝置的四十分之一：傳統的肌電記錄電極以及包裹電極的皮套的厚度分別都是2毫米。在尺寸上，整個“電子皮膚”的面積可以達到200平方釐米。而在重量上，每平方釐米的“電子皮膚”只有10毫克，僅為同等尺寸的傳統記錄裝置的一百三十分之一。
這個電極不僅大而薄，還非常柔軟，這是通過一種精巧的策略實現的。羅傑斯實驗室的研究人員將記錄電極和金屬連接線做成了蜿蜒前行的蛇形，這種形態為“電子皮膚”提供了充分的形變空間，皮膚無論怎麼拉伸和扭曲，電極和金屬線都能緊貼在皮膚上，並且不會受到破壞（類似一根彈簧可以被隨意拉伸和扭曲一樣）。除此之外，“電子皮膚”的外面兩層上還有一些直徑0.1毫米的小孔，這不僅提高了其透氣性，也避免了汗水累積影響電極的正常工作。
所有這些精巧的設計使這張“電子皮膚”在各個方面的表現都完勝傳統的肌電記錄裝置。
研究人員將這張“電子皮膚”在一名上臂截肢的殘疾人士身上進行了試驗。由於“電子皮膚”的柔性，科學家可以將殘肢的一週都貼上“電子皮膚”，使其能夠同時記錄一大片肌群的肌電信號。在這項試驗中，被“電子皮膚”記錄到的肌電信號會被傳給義肢的控制終端，在那裡被重新解讀為運動指令，用於操控義肢9種不同的活動方式：放鬆、屈肘、伸肘、手腕外旋、手腕內旋、屈腕、伸腕、握緊手以及張開手。在與傳統的裝置進行對比後，研究人員發現，“電子皮膚”的準確率比傳統裝置更高，而且由於“電子皮膚”具有柔性這一特點，未來在精準性上還有很大的提升空間（比如對電極的形狀、尺寸以及彼此間的距離等進行調整）。這種“電子皮膚”不僅精準性更好，使用起來也比傳統裝置更方便和舒適，貼在被試者身上數天都沒有引起皮膚的不適，而且不怕水，即使洗澡也不會對其造成不良影響。試用者對其舒適性也給予了很高的評價，將其描述為“感覺不到它的存在”。
除了可以用於控制義肢外，研究人員還在其他領域測試了這種“電子皮膚”可能的應用，其中之一就是對人的腦電圖進行長時間的監控。科學家將“電子皮膚”貼在一個被試者的頭部，對其腦電圖進行了長達5天的連續記錄，結果的準確性與傳統的腦電圖檢測相當，而且不會對日常生活造成影響。通過這種長時間的實時監控手段（傳統的腦電圖無法做到這一點），科學家在未來還可以對病人的睡眠、認知狀態等多方面的情況進行監控。除此之外，“電子皮膚”還能與磁共振等成像技術兼容：使用者貼著“電子皮膚”就可以接受磁共振檢查。在通常情況下，如果攜帶金屬物（比如傳統的肌電記錄裝置）進行磁共振成像檢查，不僅會對磁共振成像的質量產生不良影響，而且金屬物的溫度還會升高，因此可能對人產生傷害。而“電子皮膚”由於金屬量少且分散（呈蛇形鋪開）、超薄等原因，不僅不會對磁共振成像產生過多影響，也不會過熱，“電子皮膚”自己的記錄功能也不會受到干擾。
這些優異的表現讓很多科學家認為，這種“電子皮膚”未來可能在多個醫學領域找到合適的應用。
羅傑斯和他的“黑科技”
領導研發這款“電子皮膚”的約翰·羅傑斯是美國西北大學的材料科學教授，並且是該校新成立不久的生物集成電子學中心（Center for Bio-Integrated Electronics）主任。羅傑斯的研究興趣主要是柔性的電子器件及其應用（尤其是醫學以及健康領域內的應用），並被公認為是全球這一領域的領軍人物。他不僅是美國最年輕的三院院士（美國科學院、美國工程院、美國文理科學院），還曾獲得過麥克阿瑟天才獎以及被譽為“發明界的奧斯卡獎”的麻省理工學院萊梅爾遜獎。此外羅傑斯還擁有超過100項個人專利，並參與創立了多家初創公司，嘗試將自己的研究產業化。
在過去的十年間，羅傑斯的實驗室推出了多種頗具應用前景的柔性電子器件，其中有的即將商業化。在過去一年中他的研究成果更是屢屢被各大媒體報道：
2018年10月，羅傑斯的研究團隊在國際著名期刊《自然·醫學》（Nature Medicine）上發表論文，介紹了世界上第一種可吸收的電子醫學器件（bioresorbable electronic medicine）。這個無線裝置可以用於幫助修復外周神經損傷：在將其植入外周神經受損的區域後，這個裝置就能對神經給予電刺激，幫助神經的再生。在完成其應該完成的使命後，這個裝置會逐漸溶解並被機體吸收，無需再進行手術將其取出。
在2019年1月的世界消費電子展上，國際知名美妝品牌歐萊雅推出了兩款與羅傑斯團隊合作研發的產品。其中一款是一種柔性貼片，在貼到皮膚上15分鐘內，這款名為My Skin Track pH的貼片就可以利用微流體技術通過人的汗液檢測出皮膚的pH值，並根據皮膚的情況通過手機App向使用者推薦合適的護膚產品和護膚建議。另一款則是一個名叫UV Sense的紫外線檢測裝置，這個裝置只有2毫米厚，不足指甲蓋大小，並且無需供電。使用者可以將其作為美甲裝飾貼在指甲上，也可以貼在肩部等其他部位，用於檢測每天被紫外線照射的劑量，以便採取有效措施防止過多地暴露在紫外線下。
同樣是在2019年1月，羅傑斯團隊在《自然》（Nature）雜誌上介紹了一種治療膀胱失能的方法。研究人員將一個環狀的柔性無線裝置套在大鼠的膀胱上，這個裝置可以對膀胱的充盈狀態進行監測。如果發現膀胱的活動出現異常（比如排尿過頻），這個裝置就會對膀胱給予相應的刺激，抑制大鼠過於頻繁地排尿。有專家認為，這項研究的策略未來很有可能會被用於治療器官失能性質的疾病。
而最近吸引了各大媒體最大關注的，則是一款用於監控重症監護室內的新生兒的發明。為了隨時監控被送入重症監護室的新生兒的各項生理指標，醫生往往需要給寶寶連上各式各樣的有線的傳感器，這不僅會給護理工作帶來種種不便，也使寶寶的父母無法與寶寶互動，影響父母與寶寶間建立情感紐帶。羅傑斯團隊研發出了一組共兩張超薄的柔性監控貼片。這種監控貼片只需沾上一點水就能穩穩地貼在寶寶的身體上（一張貼在胸口，一張貼在腳上）。這種無線的監控貼片無需供電，能夠實時監控並分析寶寶的各項生理指標，並將數據傳給計算機。對這種監控貼片的臨床試驗表明，其準確性與目前最先進的臨床監測系統的準確性相當。
除了過去一年中這些激動人心的發明以外，羅傑斯的實驗室此前還曾設計製造出一種可以對心臟的多個位置同時進行實時監測的人工心臟外膜、可以捕獲心臟搏動的能量從而為心臟起搏器供電的能量收集裝置、貼在皮膚上就能監控血氧水平的柔性貼片、模仿昆蟲的複眼設計製造的數碼相機、一種可以隨意拉伸扭曲的鋰離子電池等等。
對於很多人來說，羅傑斯團隊的高產可以說已經到了令人難以想象的程度，而這個團隊推出的一個個發明也很像科幻電影中才能看到的“黑科技”。對於這個團隊來說，似乎只有想不到，沒有做不到。這樣的創新能力不禁使人想問一個問題：他們還能設計製造出什麼？
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