领导研发“电子皮肤”的美国西北大学材料科学家约翰·罗杰斯，他的脸上贴的是团队此前设计制造的功能各异的小尺寸“电子皮肤”。 （资料图/图）
（本文首发于2019年4月11日《南方周末》）
美国西北大学的材料科学家研发出了一种超大面积、超薄的“电子皮肤”。只需将这种能够随意拉伸形变的电子器件贴在皮肤上，进行过定向肌肉再支配手术的残疾人士就能灵活地支配义肢的活动。这种神奇的“电子皮肤”还具有其他的应用可能，例如对人的脑电图进行长时间的监控。
全球每年有超过100万人因为疾病、受伤等原因被截肢。被截肢的残疾人士不仅会经历工作和生活上的不便，还可能会承受巨大的身心痛苦（大约有30%的人会患抑郁症或焦虑症）。义肢为这些残疾人士重新融入社会，正常地工作和生活提供了帮助，但早期的义肢主要是美观性的（有一些有简单而有限的功能）。随着神经科学、计算机技术等领域的进步，科学家近年来发明了一些较为先进的义肢和义肢控制技术，定向肌肉再支配（targeted muscle reinnervation）便是其中引人关注的一种。在定向肌肉再支配手术后，残疾人士能够比较灵活地控制义肢，减少工作和生活中的不便。然而这种技术也存在一些缺陷，包括置于体表的神经信号读取装置灵敏度和准确性容易受到干扰、透气性差以及会引起身体不适（读取装置坚硬，无法随身体的活动适当形变）等。
近日，美国西北大学的科学家在最新一期的世界著名科学期刊《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering）上发表了一项研究成果，介绍了他们发明的一种超大面积“电子皮肤”。只需将这种超薄、透气、能够随意拉伸形变的电子器件贴在皮肤上，进行过定向肌肉再支配手术的残疾人士就能灵活地支配义肢的活动。除此之外，这一发明还能与磁共振等技术兼容，有利于对其他疾病进行研究、诊断以及治疗。
第一个接受定向肌肉再支配手术的残疾人士杰西·萨利文，从这张图可以看出，传统的肌电读取装置有笨拙、不透气等缺陷。 （资料图/图）
“电子皮肤”是一个被称为柔性电子技术（flexible electronics）领域的研发产物。在过去十年间，这个领域的科学家已经研发出了多种极具实用性的电子器件，有的甚至即将商业化。无论是从设计策略还是制造工艺上看，这些电子器件都会让你叹为观止，并相信这一领域的进步将显著地改变我们的生活。
用残躯控制义肢
当人被截肢后，支配截去部分肌肉的神经却仍然存在，并且能正常地发出对肌肉的支配信号。定向肌肉再支配技术正是基于这一原理。科学家首先在残肢或者残肢的邻近部位选定一个区域，用这个区域的肌肉作为控制义肢的“信号源”。通过手术，科学家会将支配“信号源”肌肉的神经切断，并且采用必要的措施阻止这些神经在修复后重新支配这些肌肉。接下来，科学家会将支配截去肢体的神经与“信号源”的肌肉连接，这样人脑发出的支配截去肢体肌肉的神经信号就会被传给“信号源”的肌肉，这也正是这种技术被称为定向肌肉再支配的原因。当支配肌肉的神经信号传到肌肉时，肌肉细胞的电生理特征会发生变化，这种变化可以被记录肌电图（electromyogram，EMG）的电极记录到。因此，如果在“信号源”处安装上记录肌电图的电极，当残疾人士尝试（一定程度可以认为就是“想”）活动已经被截去的肢体（比如尝试屈肘）时，电极就能从“信号源”的肌肉中读取到这种指令，并将这种指令传递给义肢的控制终端，从而完成屈肘动作。
以2004年完成的第一例手术为例。美国西北大学的研究人员对一位名叫杰西·萨利文（Jesse Sullivan）的双臂高位截肢（截肢至双肩）的残疾人士进行了手术，将控制已被截去的手臂的四组神经与胸大肌和胸小肌相连。五个月后，通过记录相应的肌电信号，电极能够读取出转而传递到胸大肌和胸小肌的神经指令，并将指令传递给义肢，使萨利文不仅能够控制义肢的活动，而且可以同时控制两个自由度的活动（比如同时屈肘和转动手腕），远远胜过了此前有一定功能性的义肢（这些义肢主要是通过残肢的活动来控制的，对于高位截肢的人来说，无论是灵活性还是能够完成的动作都非常有限）。手术的成功引起了各方的强烈关注，并且在更多截肢的残疾人士上进行了临床试验，美国军方的国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）也开始为相关研究提供资助，希望这一技术未来能够为残疾士兵融入社会，正常工作和生活提供帮助。
控制义肢的“电子皮肤”
虽然现有的定向肌肉再支配技术为残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，这其中采集肌电信号的装置尤其如此。一方面，采集肌电信号的金属电极非常坚硬，并且不能形变（每个电极的直径约为1厘米，每个肌电信号采集装置有多个电极），这不仅会给身体带来不适感，而且在躯体活动时有可能影响电极与身体的接触，导致无法精确地采集信号，从而影响到对义肢的操控；另一方面，为了使电极尽可能与皮肤贴紧，这些电极是被包裹在一层皮套里的，皮套的重量不仅会给使用者带来更大的负担（杰西·萨利文就需要穿上一个皮“马甲”），而且还会导致记录的区域透气性差，让使用者感到不适，累积的汗水还会影响电极正常工作。要想使用者能够更精准、更舒适地控制义肢，这些问题都亟待解决。
在这项新的研究中，美国西北大学的材料科学家约翰·罗杰斯（John Rogers）领导的团队研发制造出了一种超大面积、超薄的“电子皮肤”。当把这种“电子皮肤”贴在接受了定向肌肉再支配手术的人的“信号源”上后，残疾人士就能灵活地控制义肢。
在贴上罗杰斯团队研发的“电子皮肤”后，接受了定向肌肉再支配手术的残疾人可以灵活地控制义肢。这种“电子皮肤”还有精准、轻便、透气、不易受干扰以及不怕水等特点。 （资料图/图）
与传统的肌电采集装置比，这种“电子皮肤”最难以匹敌的优点是超轻、超薄、可形变以及覆盖面广。
整个“电子皮肤”主要分为三层。直接与皮肤接触的一层是负责采集肌电信号的电极以及连接电极的金属线；第二层是一种黏度适中的黏胶，“电子皮肤”正是通过这种黏胶粘贴到皮肤上的（无论是电极还是金属线，都不是实体一块，而是有空隙的，黏胶正是通过这些空隙与皮肤接触的）；最外面一层的主要作用则是为“电子皮肤”提供支撑和保护。
所有这三层加在一起总共0.1毫米厚，只有传统记录装置的四十分之一：传统的肌电记录电极以及包裹电极的皮套的厚度分别都是2毫米。在尺寸上，整个“电子皮肤”的面积可以达到200平方厘米。而在重量上，每平方厘米的“电子皮肤”只有10毫克，仅为同等尺寸的传统记录装置的一百三十分之一。
这个电极不仅大而薄，还非常柔软，这是通过一种精巧的策略实现的。罗杰斯实验室的研究人员将记录电极和金属连接线做成了蜿蜒前行的蛇形，这种形态为“电子皮肤”提供了充分的形变空间，皮肤无论怎么拉伸和扭曲，电极和金属线都能紧贴在皮肤上，并且不会受到破坏（类似一根弹簧可以被随意拉伸和扭曲一样）。除此之外，“电子皮肤”的外面两层上还有一些直径0.1毫米的小孔，这不仅提高了其透气性，也避免了汗水累积影响电极的正常工作。
所有这些精巧的设计使这张“电子皮肤”在各个方面的表现都完胜传统的肌电记录装置。
研究人员将这张“电子皮肤”在一名上臂截肢的残疾人士身上进行了试验。由于“电子皮肤”的柔性，科学家可以将残肢的一周都贴上“电子皮肤”，使其能够同时记录一大片肌群的肌电信号。在这项试验中，被“电子皮肤”记录到的肌电信号会被传给义肢的控制终端，在那里被重新解读为运动指令，用于操控义肢9种不同的活动方式：放松、屈肘、伸肘、手腕外旋、手腕内旋、屈腕、伸腕、握紧手以及张开手。在与传统的装置进行对比后，研究人员发现，“电子皮肤”的准确率比传统装置更高，而且由于“电子皮肤”具有柔性这一特点，未来在精准性上还有很大的提升空间（比如对电极的形状、尺寸以及彼此间的距离等进行调整）。这种“电子皮肤”不仅精准性更好，使用起来也比传统装置更方便和舒适，贴在被试者身上数天都没有引起皮肤的不适，而且不怕水，即使洗澡也不会对其造成不良影响。试用者对其舒适性也给予了很高的评价，将其描述为“感觉不到它的存在”。
除了可以用于控制义肢外，研究人员还在其他领域测试了这种“电子皮肤”可能的应用，其中之一就是对人的脑电图进行长时间的监控。科学家将“电子皮肤”贴在一个被试者的头部，对其脑电图进行了长达5天的连续记录，结果的准确性与传统的脑电图检测相当，而且不会对日常生活造成影响。通过这种长时间的实时监控手段（传统的脑电图无法做到这一点），科学家在未来还可以对病人的睡眠、认知状态等多方面的情况进行监控。除此之外，“电子皮肤”还能与磁共振等成像技术兼容：使用者贴着“电子皮肤”就可以接受磁共振检查。在通常情况下，如果携带金属物（比如传统的肌电记录装置）进行磁共振成像检查，不仅会对磁共振成像的质量产生不良影响，而且金属物的温度还会升高，因此可能对人产生伤害。而“电子皮肤”由于金属量少且分散（呈蛇形铺开）、超薄等原因，不仅不会对磁共振成像产生过多影响，也不会过热，“电子皮肤”自己的记录功能也不会受到干扰。
这些优异的表现让很多科学家认为，这种“电子皮肤”未来可能在多个医学领域找到合适的应用。
罗杰斯和他的“黑科技”
领导研发这款“电子皮肤”的约翰·罗杰斯是美国西北大学的材料科学教授，并且是该校新成立不久的生物集成电子学中心（Center for Bio-Integrated Electronics）主任。罗杰斯的研究兴趣主要是柔性的电子器件及其应用（尤其是医学以及健康领域内的应用），并被公认为是全球这一领域的领军人物。他不仅是美国最年轻的三院院士（美国科学院、美国工程院、美国文理科学院），还曾获得过麦克阿瑟天才奖以及被誉为“发明界的奥斯卡奖”的麻省理工学院莱梅尔逊奖。此外罗杰斯还拥有超过100项个人专利，并参与创立了多家初创公司，尝试将自己的研究产业化。
在过去的十年间，罗杰斯的实验室推出了多种颇具应用前景的柔性电子器件，其中有的即将商业化。在过去一年中他的研究成果更是屡屡被各大媒体报道：
2018年10月，罗杰斯的研究团队在国际著名期刊《自然·医学》（Nature Medicine）上发表论文，介绍了世界上第一种可吸收的电子医学器件（bioresorbable electronic medicine）。这个无线装置可以用于帮助修复外周神经损伤：在将其植入外周神经受损的区域后，这个装置就能对神经给予电刺激，帮助神经的再生。在完成其应该完成的使命后，这个装置会逐渐溶解并被机体吸收，无需再进行手术将其取出。
在2019年1月的世界消费电子展上，国际知名美妆品牌欧莱雅推出了两款与罗杰斯团队合作研发的产品。其中一款是一种柔性贴片，在贴到皮肤上15分钟内，这款名为My Skin Track pH的贴片就可以利用微流体技术通过人的汗液检测出皮肤的pH值，并根据皮肤的情况通过手机App向使用者推荐合适的护肤产品和护肤建议。另一款则是一个名叫UV Sense的紫外线检测装置，这个装置只有2毫米厚，不足指甲盖大小，并且无需供电。使用者可以将其作为美甲装饰贴在指甲上，也可以贴在肩部等其他部位，用于检测每天被紫外线照射的剂量，以便采取有效措施防止过多地暴露在紫外线下。
同样是在2019年1月，罗杰斯团队在《自然》（Nature）杂志上介绍了一种治疗膀胱失能的方法。研究人员将一个环状的柔性无线装置套在大鼠的膀胱上，这个装置可以对膀胱的充盈状态进行监测。如果发现膀胱的活动出现异常（比如排尿过频），这个装置就会对膀胱给予相应的刺激，抑制大鼠过于频繁地排尿。有专家认为，这项研究的策略未来很有可能会被用于治疗器官失能性质的疾病。
而最近吸引了各大媒体最大关注的，则是一款用于监控重症监护室内的新生儿的发明。为了随时监控被送入重症监护室的新生儿的各项生理指标，医生往往需要给宝宝连上各式各样的有线的传感器，这不仅会给护理工作带来种种不便，也使宝宝的父母无法与宝宝互动，影响父母与宝宝间建立情感纽带。罗杰斯团队研发出了一组共两张超薄的柔性监控贴片。这种监控贴片只需沾上一点水就能稳稳地贴在宝宝的身体上（一张贴在胸口，一张贴在脚上）。这种无线的监控贴片无需供电，能够实时监控并分析宝宝的各项生理指标，并将数据传给计算机。对这种监控贴片的临床试验表明，其准确性与目前最先进的临床监测系统的准确性相当。
除了过去一年中这些激动人心的发明以外，罗杰斯的实验室此前还曾设计制造出一种可以对心脏的多个位置同时进行实时监测的人工心脏外膜、可以捕获心脏搏动的能量从而为心脏起搏器供电的能量收集装置、贴在皮肤上就能监控血氧水平的柔性贴片、模仿昆虫的复眼设计制造的数码相机、一种可以随意拉伸扭曲的锂离子电池等等。
对于很多人来说，罗杰斯团队的高产可以说已经到了令人难以想象的程度，而这个团队推出的一个个发明也很像科幻电影中才能看到的“黑科技”。对于这个团队来说，似乎只有想不到，没有做不到。这样的创新能力不禁使人想问一个问题：他们还能设计制造出什么？
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