在過(guò)去的十年里，人工智能(AI)和電子皮膚(electronic skin)領(lǐng)域均實(shí)現(xiàn)了重大突破。電子皮膚作為一種非侵入式的醫(yī)療接口，正在改變醫(yī)療實(shí)踐，通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)生理和生化信息來(lái)實(shí)時(shí)量化追蹤健康狀況。在大數(shù)據(jù)和數(shù)字醫(yī)學(xué)的推動(dòng)下，下一代電子皮膚預(yù)計(jì)將結(jié)合人工智能來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行自主數(shù)據(jù)分析以評(píng)估用戶健康。然而，電子皮膚所收集的敏感數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)有很大不同，在采集處理、安全性、存儲(chǔ)和泛化方面面臨諸多挑戰(zhàn)，且數(shù)據(jù)的有限性限制了研究的深度和廣度。2023年12月18日，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉教授與博士生許昌浩、Samuel Solomon在Nature Machine Intelligence雜志在線發(fā)表題為 “Artificial Intelligence-Powered Electronic Skin” 的綜述文章，該文章深入分析了人工智能在材料設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)交互和健康監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵應(yīng)用，同時(shí)指出了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)研究的方向。作為一種可穿戴的集成式電子平臺(tái)，電子皮膚不僅模仿了人類皮膚的功能，更在某些方面實(shí)現(xiàn)了超越。電子皮膚技術(shù)以其靈活性和緊密貼合的特點(diǎn)而著稱，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人和人體不同部位，用于持續(xù)無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)生物信號(hào)。這一特性使得電子皮膚在機(jī)器人、假肢、臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，與傳統(tǒng)的大型設(shè)備形成了鮮明對(duì)比。電子皮膚被設(shè)計(jì)成一種可獨(dú)立運(yùn)行的集成系統(tǒng)，可以被用作智能繃帶、手腕帶、紋身式貼片、紡織衣物、戒指、口罩，或是植入襪子和鞋子等多種形式。這些人機(jī)界面的多樣性使其適用于廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。相比于傳統(tǒng)的剛性可穿戴設(shè)備，柔軟的電子皮膚能夠與皮膚無(wú)縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)緊密而穩(wěn)定的接觸，最小化了由運(yùn)動(dòng)引起的信號(hào)噪音和穿戴不適。這些電子貼片設(shè)計(jì)靈活，方便使用者將其應(yīng)用于任意目標(biāo)部位，通過(guò)無(wú)線連接便可以持續(xù)、非侵入性地監(jiān)測(cè)多種信號(hào)，從而超越了傳統(tǒng)的密集醫(yī)療護(hù)理，成為理想的可穿戴系統(tǒng)。隨著遠(yuǎn)程和家庭護(hù)理需求的增長(zhǎng)，電子皮膚在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、早期疾病檢測(cè)以及COVID-19追蹤和監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
在機(jī)器人學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)中，電子皮膚通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)多模態(tài)數(shù)據(jù)，正引發(fā)一場(chǎng)創(chuàng)新革命。數(shù)據(jù)分析在解釋由各類傳感器生成的大量復(fù)雜生物數(shù)據(jù)中，扮演著越來(lái)越重要的角色。盡管傳統(tǒng)的電子皮膚數(shù)據(jù)分析大多依賴于人工手動(dòng)處理，其信號(hào)處理和數(shù)據(jù)評(píng)估的過(guò)程耗時(shí)且解讀視角有限，但最近深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的發(fā)展為健康應(yīng)用的大數(shù)據(jù)評(píng)估開(kāi)辟了新的可能。人工智能能夠揭示傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法難以捕捉的醫(yī)學(xué)洞見(jiàn)，并提供準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，這在某些情況下甚至可以模仿或超越人類專家的水平。人工智能賦能電子皮膚，已成為推動(dòng)遠(yuǎn)程機(jī)器人學(xué)和健康監(jiān)測(cè)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)力。
圖1. 人工智能賦能的電子皮膚（圖源自Nature Machine Intelligence）
本文詳細(xì)介紹了電子皮膚技術(shù)的最新發(fā)展。首先介紹了電子皮膚中的新興傳感器生態(tài)，機(jī)器學(xué)習(xí)的任務(wù)和動(dòng)機(jī)。隨后討論人工智能如何通過(guò)優(yōu)化傳統(tǒng)材料設(shè)計(jì)和促進(jìn)傳感器的監(jiān)測(cè)性能，從而助力分析與決策。文章還突出了人工智能賦能的電子皮膚在人機(jī)接口和個(gè)性化醫(yī)療中的應(yīng)用實(shí)例。最后，系統(tǒng)探討了在人工智能和大數(shù)據(jù)時(shí)代，電子皮膚面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)前景。
圖2. 電子皮膚中的傳感器生態(tài)（圖源自Nature Machine Intelligence）總之，人工智能賦能的電子皮膚正在革新機(jī)器人學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。盡管面臨數(shù)據(jù)處理、安全和泛化的挑戰(zhàn)，以及高質(zhì)量生化數(shù)據(jù)的收集難題，電子皮膚平臺(tái)帶來(lái)了優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高傳感器性能、整合云存儲(chǔ)和保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的新機(jī)遇。跨學(xué)科合作，特別是材料科學(xué)、工程師、醫(yī)生和數(shù)據(jù)科學(xué)家之間的協(xié)作，對(duì)于發(fā)揮電子皮膚的廣闊應(yīng)用至關(guān)重要。這一技術(shù)不僅預(yù)示著機(jī)器人學(xué)和數(shù)字醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新時(shí)代，還可能模糊生物與非生物系統(tǒng)的界限，為未來(lái)的人機(jī)融合鋪平道路。Xu, C., Solomon, S.A. & Gao, W. Artificial intelligence-powered electronic skin. Nat Mach Intell 5, 1344–1355 (2023).https://doi.org/10.1038/s42256-023-00760-z
