日本科學家研發仿生皮膚,可觸探到腫瘤部位

2016-06-12
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皮膚是人體**的器官,是連接腦部與外部世界的一道墻。暢想一下,如果皮膚能夠傳達出人體內部的情況,會是一種什么樣的場面。它可以告知外科醫生,在我們身體將要生病時發出警報,甚至僅憑觸摸就能診斷另一人體所患有的疾病。

東京大學的科學家Takao Someya正在將這一景象化作現實。Someya發明了一種仿生的或者可以說是電子的皮膚(e-skin),它將賦予人類全新的靈敏感知能力。這電子皮膚輕如鴻毛,但卻極難摧毀,終有一日,它將為醫學領域帶來巨大變化。

 

醫療保健的未來?

Someya正在為這樣的未來努力著:醫生們戴著用他這項技術做出來的定制手套,僅憑觸摸就能檢測到女性乳房中的腫瘤。這能減少轉診和掃描身體的需要,還可以盡早檢測出腫瘤——譬如在常規體檢時。

 



巨大的可能性

這些可穿戴的仿生皮膚既可以紋到我們身上,也可以只是縫在衣服上。它們能用于監測人體的生命體征,甚至能通過監測我們的心臟狀態來協助醫生預知可能出現的心臟病突發風險。Someya計劃在未來幾年中就徹底完成這項技術的開發。

 不過,他這一愿景始于機器人——而非人類。



“我想象的未來畫面是,一個機器人能通過與人握手,檢測出對方的情緒——例如熱情或傷感?!彼J為,為機器人設計e-skin能夠在已經飽和的商業電子領域之外創造出一個新的研究潮流,那時的商業電子產業要么專注于研發微型機器人,要么就是讓機器的行動更快速。不過這是15年前的事了。 

在今天看來,有了他實現的這些技術**,當時他想象的畫面已不是那么遙不可及了。這位電子工程教授說道:“21世紀初期,我才剛開始進行研究,那時柔性電子材料剛剛興起,但是大多數人都是想要開發電子紙。而我則想要做一些主流以外的事情?!?/span>



人造皮膚早就有了,但它們還不夠**。那些能夠探測溫度和壓力的人造皮膚不夠柔軟,只是一堆具備一定功能的僵硬電子材料。而且它們的造價太貴了,要想造出足以覆蓋一個機器人肢體的數量,花銷太大。Someya想要打破所有這些局限性,可這并不簡單。人類相仿的觸覺


人類肌膚十分復雜,要模仿它并不容易。如果將一個正常成年人的皮膚完全攤開,其面積約有20平方英尺,含有2百萬個痛覺受體,數量多得令人咋舌。Someya知道,在一個驅動電路中接入2百萬個傳感器,任何電子皮膚都會失去柔軟性。

 

2003年,他開始將硬邦邦的電子材料——如硅膠——置換成靈活、有機的材料,譬如二萘并-并二噻吩(DNTT),這種材質常用于制作紙幣上的安全箔條。一開始,他選擇用柔軟且能與生物兼容的有機半導體來連接傳感器,使之具備可檢測壓力和30-80度溫度的能力。然后,他把這些材料鋪到“有源矩陣”方格網中(該材料常用于制作液晶顯示屏),讓每個傳感器在網格中都有自己的一個確切坐標。這就避免了纏結電線的需要。之后他還想出了個絕妙的主意。Someya的同事們都把傳感器放置于剛性表面上,如超薄玻璃和鋼箔上,而Someya的團隊則選擇了放到塑料薄膜上。塑料不僅出乎意料地結實,而且還便宜,裹在機器人尖細的金屬手指上也不會破。



這是世界上第一款超薄又柔韌的電子皮膚,想象力的延展,盡管取得了這些成果,Someya的研究還面臨著一個重大的難題——這電子皮膚不能伸展。與此同時,美國的普林斯頓大學中,一組由席格德·瓦克納教授帶領的團隊已經開始用橡膠作為表面材質制造可伸展的電子皮膚。Someya 的團隊很快進行了學習,并開始將他們的有機傳感器網格用噴墨印刷的方式印到塑料薄膜上,然后將其壓縮至預先拉伸開的橡膠基底上。松開橡膠后,塑料薄膜便收縮回來,且具有紋路——就像真的皮膚一樣——而再次拉伸橡膠的時候,薄膜也會伸展開來。



這一材質能夠貼進機器人關節的凹槽里,就像把聚乙烯膜貼在它的手臂上一樣。他的電子網格可以被拉伸放大至250%,然后像揉紙團一樣弄皺后,從一米高處扔下也不會破損。這可能有違邏輯,但是塑料電子皮膚越薄,它們就越結實。

2005年到2013年之間,Someya 和他的團隊不斷制造越來越薄的塑料膜,**完成的塑料膜厚度僅為1微米,是普通塑料包裹膜厚度的十分之一。它的敏感度可與人類皮膚相提并論了。Someya說:“此時,我們意識到,電子皮膚不應只限于用在機器人身上。我們開始將超薄塑料膜放到人類的皮膚表面?!?/span>


超靈敏人類將出現

2014年,Someya團隊在一次手術中把一片電子皮膚放到一只老鼠的心臟上長達三小時。這一智能皮膚良好呈現出了老鼠的心電圖信號,能夠檢測到老鼠心臟缺陷的狀態。Someya說:“這一技術在未來可能會用于人類醫學?!?/span>用電子皮膚給心臟帶來的壓力會比傳統電極要小。斯坦福大學化學工程系的鮑哲南教授正在開發能進行生物降解的材料,這意味著,放入人體中的電子皮膚將無需移除。鮑教授說:“可移植的醫學設備可以測量心電圖、特定器官的大小和其隨時間流逝而發生的變化?!?/span>2015年,鮑的團隊發布的論文稱,超聲波近距離傳感器已經在機器人身上進行實驗,以防止它們與物體發生排斥反應,而這一技術也可以用于檢測光憑觸摸無法診斷出的小型體內腫瘤。

今年早些時候,Someya的團隊發布了一款可監測氧氣含量的電子皮膚。其指數可通過微電子元素以紅、綠或藍顯示出來。手上的超薄電子皮膚能在運動狀態下作為電子顯示屏來使用。它還能用于多種商業用途,例如播放媒介。Someya的*終目標是,這樣的電子皮膚能用在手術中,檢測人體器官內的氧氣含量。不過,電子皮膚的另一用處則能夠增強當今外科修復學的功能。如果把智能皮膚安置于人的上臂,它就能檢測腦波,然后把信號傳達到假肢,讓它完成相應的動作。智能皮膚有著無限的可能性,不僅是在醫學領域,它在游戲競技和個人健康監測方面都有著極大的潛力。

 

超越藥物

去年11月,Someya邀請Ichiro Amimori為他所完成的項目建立一個衍生公司。2016年,在世界**的科技論壇CES上,Amimori發布了一款用于虛擬現實游戲競技中的動態感應套裝。這個套裝在布料內安裝了電路面板,內含可監測動作、呼吸和身體溫度的傳感器,它甚至可以機洗。他的團隊還開發出了適用于嬰兒的動態感應套裝,讓父母們即便不在家也可以監測孩子的一舉一動。Amimori說:“現在,這些產品還處于模型階段,還是有一點未來感的。但是,它正在變為現實。我們已經計劃好了將Someya的科技帶到現實世界的每一步?!?/span>Someya說,自他的突破性發明問世以來,電子皮膚領域便熱門起來了,為了使之可穿戴,全世界的各種團隊都在研究如何攻破剩余的難題。

 

但是,他的科技夢想延伸得很遠很廣,現在又回到了他的起點——通過科技聯結人類。他說:“我們的**目標,我們的夢想,就是通過充分利用軟性電子科技讓人類和機器人之間和諧共處。人類更了解機器人,機器人則更接近人類?!?/span>


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