人类的皮肤是令人惊叹的。它能感知温度、压力和质地。它能一次又一次地伸展和回弹。并且它提供了身体和外部威胁（细菌、病毒、毒素、紫外线辐射等）之间的屏障。因此，工程师们渴望创建合成皮肤。他们想象着拥有皮肤般的特性的机器人和假肢，其中最重要的是皮肤的显著愈合能力。

“我们认为已经取得了第一个多层薄膜传感器的演示，该传感器在愈合过程中可以自动重新排列。这是模仿人类皮肤的关键一步，因为人类皮肤具有多个层次，在愈合过程中都能正确地重新排列，”斯坦福大学博士研究生克里斯·库珀说道。他与博士后研究员山姆·鲁特合著了一篇发表在《科学》杂志上的新研究。

层次化对于模仿皮肤的多种特质非常关键。 Root说：“皮肤是柔软、可伸展的。但如果你戳破它、切开它，每层都会选择性地与自己愈合，以恢复整体功能。” “就像真正的皮肤一样。”

皮肤也是由层层构成的。它刚刚演化出了免疫机制，通过一种涉及分子识别和信号传递的复杂过程重建组织的原始分层结构。

科伯表示：“真正的‘皮肤’应该能够自然而自主地重叠对齐。”

Root说，在斯坦福大学由詹南·包教授领导的团队可能能够创建具有独立功能层的多层合成皮肤，每个层的厚度可能只有一个微米，甚至更薄。足够薄，以至于10层或更多层的堆叠不会比一张纸更厚。“一层可能感知压力，另一层感知温度，还有另一层感知张力”，Root表示。不同层的材料可以被设计成感应热力、机械或电学变化。

一种新颖的方法

宝教授说：“我们在2012年在《自然·纳米技术》杂志上报道了第一篇多层自愈合合成电子皮肤的研究，自那以后，全球各地都对多层合成皮肤的研究兴趣浓厚。”他们正在进行的工作之所以与众不同，是因为在自愈合过程中，每一层都能自我识别和与同类层次对准，从而逐层恢复功能。而现有的自愈合合成皮肤需要人工手动进行对齐，哪怕是轻微的层次偏移，也会影响其功能恢复。

秘密在于材料。每层的骨架由长分子链周期性地通过动态氢键连接而成，类似于DNA链双螺旋结构的固定键，这使得材料能够反复拉伸而不会撕裂。橡胶和乳胶是两种众所周知的天然聚合物，但也有无数种合成聚合物。关键是设计聚合物分子结构并为每个层次选择正确的组合：第一层用一种聚合物，第二层用另一种聚合物，依此类推。

研究人员使用了PPG（聚丙烯醇）和PDMS（聚二甲基硅氧烷，俗称硅胶）。两种材料都具有类似橡胶的电学和机械特性、生物相容性，并可与纳米或微米颗粒混合以实现电导性。关键是，所选的聚合物及其复合材料是互不相溶的 - 它们彼此不混合，但由于氢键作用，它们能够很好地粘合在一起，形成耐久的多层材料。

这两种聚合物的优点在于，当它们被加热时，它们会变软并流动，但在冷却时会凝固固化。因此，通过加热合成皮肤，研究人员能够加速愈合过程。在室温下，愈合可能需要长达一周的时间，但当加热至70°C（158°F）时，自我对准和愈合仅需约24小时。这两种材料经过精心设计，具有类似的黏性和弹性响应，适应于适当的温度范围内的外部压力。

库珀说：“皮肤也很慢愈合。我几天前割伤了手指，四五天后仍在愈合。对我们来说，最重要的是它能够在没有我们的干预或努力下愈合并恢复功能。”

再进一步

研究人员成功制造出了一个原型，接着与斯坦福大学的Renée Zhao教授合作，在他们的聚合物层中添加了磁性材料，使得这种合成皮肤不仅能愈合，而且能够从分离的部件中自动组装起来。“与磁场导航和感应加热相结合，”赵教授说，“我们可能能够构建可重构的软体机器人，可以根据需求改变形状并感知其变形。”

"我们的长期愿景是创造能够从极端损伤中恢复的设备。例如，想象一下一种设备，即使被撕成碎片和撕裂，也能自主地重新构建起来，"库珀说着，展示了一个短视频，视频中有几块层状合成皮肤浸泡在水中。这些碎片磁性吸引着彼此靠近，最终重新组装在一起。当它们愈合时，它们的电导性恢复，而附在材料顶部的LED灯则发光，证明了这一点。

在接下来的步骤中，研究人员将努力使层尽可能的薄，并向创建功能不同的层迈进。目前的原型被设计用于感应压力，可以包含其他用于感应温度或应变变化的层。

就未来展望而言，该团队认为，可以想象出可分段吞咽并在体内自组装以进行非侵入性医疗治疗的机器人。其他应用包括多感官、自愈合的电子皮肤，能够为机器人提供触感并与其完美契合。