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智慧人造皮膚 – 讓你真的有感覺

根據衛福部統計處 2014 年的資料,目前光是台灣就有近 40 萬的肢障人口,雖然不是人人都迫切需要穿戴義肢,但若能擁有如真實手腳般的替代品或許能讓生活便利許多。國內外義肢的相關研發已經持續數年,在過去幾個月,瑞典科學家宣布他們開發出第一種能夠與穿戴者的骨頭、神經、肌肉連結的義肢,並能透過想法控制其動作;另外也有團隊研發能夠自行癒合的人造皮膚;甚至有研究人員試圖將人造皮膚的敏感度提升至真實皮膚的一千倍。不過至今還沒有一項產品能讓穿戴者感受到他們所拿的物品是冷是熱、是乾是濕,也無法感覺到壓力進而判斷手部施力是否適當。

對此,由首爾大學教授金大亨(Dae-Hyeong Kim)帶領的團隊研發出一種幾乎可比擬真實的人造皮膚,讓穿戴者能感受到溫度、壓力、濕度,甚至還裝有加熱器讓它摸起來就像是活生生的皮膚。它主要的組成材料是含有金及矽的聚合物-聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS),它透明且富有彈性,能夠包覆住整個義肢手臂,每平方毫米布有四百個傳感器,嵌在裡面的矽奈米帶(silicon nanoribbons)讓皮膚在擠壓或伸展時會產生電以提供觸覺反應,能感覺溫度及壓力。

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包覆在義肢上的人造皮膚。Source: blog.nskinc.com

濕度傳感器由電容器組成,當電容器周圍的聚合物吸收水分,濕度會改變聚合物儲存電荷的能力,電容器測量儲存量的變化,並以此判斷環境中的水分含量。為了測試濕度傳感器的準確度,研究人員首先比較人造皮膚和工業用的濕度傳感器數據,結果顯示人造皮膚濕度傳感器的準確度並不輸工業用濕度傳感器。接著研究人員讓人造皮膚實地碰觸乾濕狀態不同的尿布,結果顯示這個辨識任務對人造皮膚濕度傳感器來說完全沒問題。

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濕度傳感器測試。Source: Nature Communications

為了讓穿戴者能靈活運動,研究人員賦予不同肢體部位充分的彈性。團隊利用動作捕捉攝影機記錄真人手臂動作時皮膚會如何伸展,並套用在人造皮膚上,透過調整矽奈米帶的形狀調整不同部位的彈性程度,在需要頻繁動作的部位(如手肘),延展程度最高可達16%,在比較不需要活動的部位(如手指尖),就加強敏感程度。
這些傳感器以一層一層薄膜的形式堆疊起來,不但能提高耐用度也能減少產生裂痕的風險:

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人造皮膚分層示意圖。Source: blog.nskinc.com

目前研究團隊的下一步,是要想辦法將人造皮膚與人類神經系統連接起來。近期的實驗已將人造皮膚與老鼠大腦做連接,測量到老鼠大腦的感覺皮質(sensory cortex)確實有接收到感覺訊息輸入(sensory input ),不過這不能說明老鼠是否真的有感覺到溫度、濕度或壓力。為了得到更有效的實驗結果,未來會逐步以較大型的動物進行測試。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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