北京納米能源所Nature子刊：可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚

【引言】

人體皮膚是一個活躍、非常敏感和高彈性的感覺器官，主要承擔著保護身體、排汗、溫度調節、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器將外界環境刺激轉化為電脈沖信號，經過神經通路傳導至神經中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能。基于皮膚這種多功能生物模型，科學家們開展了一門新興學科研究——觸感電子學（俗稱“電子皮膚”，Electronic skin, E-skin），用來模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。目前，電子皮膚是在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，能夠感知周圍環境中的多種物理、化學、生物等信號，將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統。電子皮膚的重要發展趨勢是：多功能化以及多重刺激同步監測。

【成果簡介】

近日，來自中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰研究員、王中林院士的研究團隊在Nature子刊Nature Communications上發表題為“Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing”的文章。該文章報道了一種柔性可拉伸擴展的多功能集成傳感器陣列，成功地將電子皮膚的探測能力擴展到7種，實現了溫度、濕度、紫外光、磁、應變、壓力和接近等多種外界刺激的實時同步監測。

【圖文導讀】

圖一：皮膚啟發的可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚（SCMN）

a. 由皮膚的結構和功能啟發的概念示意圖；

b. 具備可拉伸擴展功能的聚酰亞胺（PI）拉伸結構網絡；

c. PI拉伸結構網絡的SEM圖；

d. SCMN的結構示意圖；

e. SCMN的柔性、拉伸性和貼合性等圖。

圖二：PI拉伸結構的力學和電學性能

a. 蜿蜒拉伸結構的力學和電學測試；

b. 蜿蜒拉伸結構在不同拉伸倍率的圖片；

e. 蜿蜒拉伸結構的耐久性測試；

f. 蜿蜒拉伸結構的彎折性測試；

g. PI拉伸結構網絡的面積擴張；

h. PI拉伸結構網絡的扭曲圖片。

圖三：SCMN的多功能傳感特性

a. 溫度傳感器的響應曲線；

b. 溫度傳感器陣列的空間溫度探測成像圖；

c. 應變傳感器的響應曲線；

d. 應變傳感器對不同應變的響應過程；

e. 濕度傳感器的響應曲線；

f. 濕度傳感器的陣列的空間濕度探測成像圖；

g. 紫外光傳感器的響應曲線；

h. 紫外光傳感器對不同光強的響應過程；

i. 磁傳感器的響應曲線；

j. 磁傳感器探測由永磁體靠近/離開引起的磁場變化。

圖四：壓力和接近傳感特性以及SCMN探測面積擴張

a. 壓力傳感器的響應曲線；

b. 壓力傳感器對微小壓力的實時探測；

c. 壓力傳感器陣列的空間壓力探測成像圖；

d. 壓力和接近探測的耦合過程；

e. 接近傳感器的響應曲線；

f. 接近傳感器陣列的空間接近探測成像圖；

g. SCMN探測面積擴張對比圖；

h. SCMN探測面積擴張前后的壓力成像圖。

圖五：SCMN對多種刺激的實時同步監測

a. SCMN對溫度、壓力和接近等刺激的實時監測；

b. SCMN對磁場、壓力和接近等刺激的實時監測。

圖六：定制化功能集成的智能假肢

a. 人抓取杯子過程中溫度感知的概念圖；

b. 智能假肢對杯子的抓取和釋放；

c. 壓力、溫度傳感器在假肢手指上的分布示意以及抓取1℃水溫杯子時各手指部位的受力情況；

d. 智能假肢在抓取4種不同水溫杯子時壓力和溫度響應曲線；

e. 智能假肢可以依據溫度響應情況來判斷杯中水溫。

【小結】

通過微納加工技術，制備出了大倍率（8倍及以上，可根據需要設計）的聚酰亞胺（PI）拉伸結構網絡，其中包括許多傳感器節點和蜿蜒拉伸結構。基于這種拉伸結構網絡，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結構進行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨立工作而不互相影響，利用基底的可拉伸性能實現了電子皮膚的探測面積擴張，并為其進一步的功能擴展提供了極大便利。另外，還將這種電子皮膚用于制造了一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，同時使假肢具備了溫度感知的能力，這將有利于改善殘疾患者的康復及生活條件。多功能集成電子皮膚不僅可以實時同步監測周邊環境多種變量，同時還能用于人體健康監測等領域。它將作為一種智能終端，構建新型的“互動網”（Internet of ‘action’, IoA），改變我們與科技的交互方式，讓我們的生活因科技變得更美好！

文獻鏈接：Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing (Nat. Commun., 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02685-9)

本文由中國科學院北京納米能源與系統研究所潘曹峰老師提供。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。如果你對電子材料感興趣，愿意與電子電工領域人才交流，請加入材料人電子電工材料學習小組（QQ群：482842474）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH , 任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試，數據分析，上測試谷！