深圳先进院刘志远新一代电生理电极与柔性三维力触觉传感

　　近期，中国科学院深圳先进技术研究院生物界面柔性传感实验室负责人、粤港澳大湾区重点实验室学术带头人刘志远博士在＂感•智＂活动直播中，进行了以＂柔性人机接口：新一代电生理电极与柔性三维力触觉传感＂为主题的演讲。
　　十多年来，刘志远一直专攻生物界面柔软可拉伸导电材料及相关传感系统，已在国际顶级期刊   Nature Chemical Biology  、  Nature Communications  、  Advanced Materials、JACS  、  ACS Nano   等发表论文 40 余篇。
　　智能传感器是决定未来信息技术产业发展能级的关键核心和先导基础。在本次分享中，  刘志远汇报了其团队在新一代多通道电生理监测电极与柔性三维力触觉传感器方面的研究进展，并阐述了相关研究背景和未来需要面对的挑战等内容。
　　图 | 刘志远（来源：刘志远 ）
　　为了让观众更容易理解，刘志远首先在一些基本概念和背景上做了介绍。
　　人机接口是人和机器的一个交互界面，简单来说涉及人、机器、接口三方面。它跟人体和机器两者的信息采集相关。人体采集的信息可用于控制设备，也可用来反馈人体的健康情况。也可以通过人机接口将机器的一些信息再反馈给人。
　　刘志远提到，人身上的信号有很多，他们团队目前主要关注人体外周神经肌肉电生理信号，那怎么把这些信号提取出来？
　　他举例说，比如说要动胳膊，大脑有个意图下来，都是通过电信号传达。可以说，人的身体无时无刻都在放电，只不过电势比较微弱，我们感觉不到，而且速度很快，基本没有延迟。另外，电学信号由于是交流电，来自大脑或心脏等信号的频率不同。
　　相比体内植入式监测，现在对体表电生理信号的监测相对简单，能比较容易地对各种信号进行采集。因此体表信号监测的产业化进展更好。
　　当然，信号从里往外传播，路径上必然有所衰减，体表监测包括透皮监测，很难采集到某些信号，这个时候植入式监测就更具优势。另外，体表贴附可能得经常更换，对于洗澡等日常生活不够方便，这也是植入式监测的一个应用场景和价值所在。
　　但植入式监测目前人们的接受程度还较低，其风险性也确实比体表监测高，真正商业化还需要一定时间。
　　目前刘志远团队更关注体表监测，但他们也正在发力解决植入式监测问题。
　　他提到，体表监测已经发展了很多年，现在是比较成熟了，应用也很多，但仍面临着诸多挑战。
　　现在市面上还没有一种能大面积贴附的电极，因为它需要大面积贴附上电极，还得是跟皮肤有一定形变贴附。皮肤是可以形变的，而且不同的部位形变量还不一样。大量多个电极若不能形变，就很难做到稳定的接触式监测。
　　对此，电极多通道化是一个解决方案。即把那些冗余的线去掉，更方便，并做到长周期、定制化使用。
　　然后，怎么在机器这一侧安上传感器，让机器拥有触觉？
　　刘志远提到，比如未来服务机器人没有皮肤，就无法抓取更多物质。现在很多工业化机械臂，前端没有触觉反馈，只能抓一些固定规格或是其他较简单的物品。
　　还有，比如特斯拉、小米公司前段时间发布的人形机器人，更偏向于概念性产品。它们表面还没有什么＂皮肤＂，现在用于机器人的成熟触感＂皮肤＂产品还没有。当然，由于越来越多的公司介入，这一领域也是未来非常有发展潜力的方向。而且机器人的商业可能性比脑机接口要更大一些。
　　但机器人皮肤传感功能要做到像人类皮肤一样，仍然是比较困难的。人类皮肤的传感能力非常强，至少具备三维力的传感功能，如果加上震动等那维度更高。例如，触碰身上的汗毛，人都能有明显的触感。皮肤遇到压力，我们知道碰到了什么东西。目前人类还没有加工出类似皮肤的传感器。
　　值得一提的是，新一代柔性三维力传感器具有弹性柔软的交互界面，同时具有三维力触觉传感功能，有望全方位模拟人体皮肤的触觉传感功能，是下一代机器人柔软皮肤、元宇宙触觉反馈的核心传感元件。
　　而刘志远团队研制的新一代多通道电生理电极，具有多通道、高密度、柔软可拉伸、抗汗贴敷、抗运动干扰、长时程、干电极监测的优异性能，将开启新一代的心电、脑电、肌电的动态监测。
　　刘志远在谈及目前多通道、高密度电生理监测面临的挑战时表示，使用传统的电极监测，在我们去医院做体检，为了系统检查各肌肉的协同，对其进行诊断研究，有时需要一个个贴很多小圆片在身上。操作这么多传感器不仅不方便，也非常耗时间，还容易掉，掉了几根后，一般人可能也不懂怎么贴回去。同时它也不够柔软，不能拉伸。
　　这就决定了其无法大范围地产业化，普通消费者不会满意。一个比较理想的方案是是将传感器做成一个薄膜，既柔软又透气，贴在身上还会觉得非常舒适。这样就能把多通道的信号采集出来，而且只需要一根线就够了。
　　这里面的一个关键点是，薄膜传感器需要与皮肤紧密贴合，要能随着皮肤一起形变。这也意味着它不能太厚，必须是柔软可拉伸的，这种情况下依然可导电。这个是一个核心技术。
　　当然其中的芯片、涉及的算法也是需要重点解决的问题。产业化也要考虑成本等各个方面。  刘志远表示，他们团队在这方面的研究已有十年，积累了一些相关技术，并在积极推进产业化，比如他们可实现柔软可拉伸导电薄膜的大面积制备，所用材料包括金、银、碳等，可适用不同的应用场景。大面积制备也是产业化的第一步。
　　另外，传统的一些薄膜，有了裂纹之后轻易就能拉断，刘志远团队也通过一些聚合物解决了该问题，即便薄膜有一些缺陷，也不容易被拉断。在这个基础上，就更利于加工监测体表多种肌肉协同的多通道设备。
　　他们也发展了柔性可拉伸干电极技术：涉及一种半流动且柔软可拉伸的电极材料，可经随意塑形、贴于头皮来测脑电信号，该电极可透过毛发、仍然能跟皮肤粘贴良好，实用性极大增强；在一些极限工况（如奔跑），通过材料加工和结构设计，基本达到了电极的抗运动干扰、长期贴附、抗出汗等高性能要求。
　　刘志远团队也跟其他课题组合作，制作了柔性可弯折的超声探头，也可以跟皮肤贴合得很好，可原位采集功能信息。
　　据了解，柔性三维力触觉传感在近几年才发展成熟，国内外的研究差距相差不多。因为它其实是伴随着 AI 技术的发展而逐渐成熟的。而 AI 也是在 2017 年 DeepMind 研发的 AlphaGo 参与围棋比赛时，才算真正进入大众视野，各大公司和风投机构开始对此加大投入。
　　关于【深圳市智能传感器产业联盟（筹）】
　　2022 年 1 月深圳市发布《深圳市科技创新＂十四五＂规划》，明确 ＂20+8＂技术主攻方向，智能传感器是新一代电子信息产业的五大战略性新兴产业之一。由深圳市工业和信息化局、南山区政府、光明区政府指导和支持，中国科学院深圳先进技术研究院联合产业多方资源，共同发起组建深圳市智能传感器产业联盟。旨在推动传感器技术创新，促进广东省、深圳市智能传感器产业创新发展，加快培育智能传感器产业集群，集聚智能传感器产业专家和产业资源。
　　关于【感·智】
　　＂感 • 智＂是深圳市智能传感器产业联盟（筹）为响应深圳培育发展出壮大＂20+8＂产业集群、促进深圳市传感器产业创新发展而推出的产业交流系列活动，依托于络绎科学和 DeepTech 的社群、媒体资源，＂感 • 智＂将定期组织技术论坛、主题沙龙、研讨会、对接交流等各类活动，旨在构建深圳市智能传感器产业链沟通机制，推动供需对接与技术革新，形成优势互补，促进产学研用多主体深度交流与合作，培育传感器产业创新生态体系。