全球柔性電子皮膚進展梳理 它離真正的人體皮膚還有多遠？

皮膚是人體最大的器官，在人類與外部環境的交互中起著重要作用。電子皮膚最初出現在大眾的視野中是科幻作品，比如《星球大戰》的假手和《終結者》中的機器人。使用電子設備重建皮膚的特性在醫療、機器人、人造假肢、可穿戴設備等諸多領域，都有著很好的應用前景。尤其是能夠無縫粘附到人體皮膚或體內的電子皮膚，對于諸如健康監測¹，醫學治療²，醫療植入物³和生物學研究⁴，和人機界面的技術及軟機器人和增強現實⁵等方面意義巨大。本文從柔性電子皮膚的基本原理、發展現狀以及簡單的展望三個方面對該領域進行闡述，希望讀者能通過本文對該領域有一個基礎的了解。

一、電子皮膚的理論基礎

人體皮膚上的電子器件通常包括但不限于兩種類型的組件：用于人類交互的輸入/輸出設備（輸入可以是例如傳感器元件；輸出可以是顯示器），以及用于人體交互的電子電路。采用不同的傳導方法將外部的刺激轉化為電信號是電子皮膚研究的基本理論基礎. 常見的方法有電阻式、電容式和壓電式傳感技術.

電阻式壓覺傳感器主要是通過所加載的力來改變導電材料之間的接觸電阻和導電復合材料中的電路傳導路徑來達到檢測力的目的，柔性的電阻式傳感器單元通常選用硅橡膠以及柔性聚合物材料等作為柔性基體。電容式壓力傳感器主要采用傳統的三層結構, 上層、中間層和下層。上層復合驅動電極, 底層復合感應電極，中間層一般使用超彈材料。當在平行板電容的表層加載力時, 會引起感應電極和驅動電極之間的極板面積和距離發生變化, 通過電容的變化, 達到檢測的目的。壓電式傳感器是基于正壓電效應的傳感器. 正壓電效應指的是: 當晶體受到某個固定方向的外力作用時, 在晶體的內部就會產生電極化現象, 晶體的兩側產生相反電荷。壓電式傳感器是一種機電轉換式和自發電式傳感器.

另外，電子皮膚的發展還得益于功能材料的發展、傳感器的結構設計以及新型技術的應用。新型的技術主要有電路集成技術、無線技術和自供電技術等。從材料和結構入手, 也可以大大提高傳感器的性能。

二、柔性電子皮膚的發展

1.健康監測領域

John A. Rogers等人實現了厚度、有效彈性模量、彎曲剛度和與表皮相匹配的電子系統類別。與傳統的基于晶片的技術不同，將這些裝置層壓到皮膚上，能夠完全保持裝置形狀并具有良好的應變性能。該系統包含電生理，溫度和應變傳感器，以及晶體管，發光二極管，光電探測器，射頻電感器，電容器，振蕩器和整流二極管等功能部件。使用這種技術可以成功測量心臟，大腦和骨骼肌產生的電活動¹。

圖1. 具有與表皮相匹配的物理特性的多功能電子設備的演示平臺。

圖2. 柔性電子皮膚出色的粘附和保形能力（動圖）。

2.生物醫學領域

Dae-Hyeong Kim等人研發了多功能可穿戴皮膚系統。這種系統的代表性實例包括生理傳感器，非易失性存儲器和藥物釋放致動器。電子，機械，傳熱和藥物擴散特性的定量分析驗證了各個組件的運行，從而實現了系統級的多功能電子皮膚²。

圖3. 貼片的可穿戴陣列。

John A. Rogers等人報告了用于大腦植入的多功能類皮膚傳感器，所有組成材料通過水解和/或代謝作用自然地吸收其中，無需提取。該系統能夠持續監測顱內壓和溫度，對治療創傷性腦損傷具有重要潛在應用³。

圖4. 健康，自由移動的老鼠配備完整的，可生物降解的無線顱內傳感器系統。

George G. Malliaras等人研發了超薄有機薄膜中的有機電化學晶體管組成的電子皮膚，該薄膜旨在記錄大腦表面的電生理信號。利用該裝置在體內對癲癇樣放電進行測試，與表面電極相比，由于局部放大而顯示出優異的信噪比，為醫療應用帶來了巨大的希望⁴。

圖5. 置于軀體感覺皮層上的ECG探針的光學顯微照片，其中開顱區由虛線包圍。比例尺：1毫米。

3.人造皮膚

王中林等人開發了一個高度可伸縮和舒適的矩陣網絡，成功擴展了電子皮膚的感應功能，包括但不限于溫度，面內應變，濕度，光，磁場，壓力和接近度。該人造皮膚在人形機器人，新假肢，人機界面和健康監測技術方面具有廣泛的應用⁶。

圖6. 皮膚靈感高度可伸縮和舒適的矩陣網絡。

圖7 人造皮膚對人手的控制（動圖）。

目前，電子皮膚的功能受限，主要是因為在電路和設備保持柔性的同時，只能實現相對簡單的功能單元集成，進而只能實現基本的類皮膚功能。對于電子皮膚的進一步需求是實現真正的高級功能性電子皮膚，這依賴于由集成的晶體管組成的可拉伸電路⁷。

鮑哲南等人展示了一種可拉伸的聚合物晶體管陣列，具有前所未有的設備密度，每平方厘米347個晶體管。這些晶體管具有與非晶硅相當的平均電荷載流子遷移率，當經受1000％的應變1000次循環時，僅略微變化（在一個數量級內），沒有電流-電壓滯后。此工藝為合并其他可??拉伸的聚合物材料提供了一個通用平臺。

圖8. 可拉伸晶體管陣列的三維圖，作為皮膚電子學的核心構件。

三、柔性電子皮膚的未來

對人造皮膚的追求激發了材料的創新，包括機械耐久性和拉伸性，生物降解性。簡單說，電子皮膚是由輕薄、可彎曲、可拉伸、有彈性的材料制成的柔性電子器件，是傳感器技術、微機電技術、新材料技術等多項技術相互融合的成果。未來，隨著工程技術的發展，電子皮膚將實現更加真實復雜的多尺度功能感知，并有可能進一步增強甚至擴充人類感官能力，例如觸覺、嗅覺以及味覺等的增強，對磁場、電場以及輻射等的感覺擴充。

參考文獻

1 Kim, D. H. Epidermal electronics (vol 333, pg 838, 2011). Science?333, 1703-1703 (2011).

2 Son, D.?et al.?Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nature nanotechnology?9, 397-404, doi:10.1038/nnano.2014.38 (2014).

3 Kang, S. K.?et al.?Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain. Nature?530, 71-76, doi:10.1038/nature16492 (2016).

4 Khodagholy, D.?et al.?In vivo recordings of brain activity using organic transistors. Nature communications?4, 1575, doi:10.1038/ncomms2573 (2013).

5 Rus, D. & Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature?521, 467-475, doi:10.1038/nature14543 (2015).

6 Hua, Q.?et al.?Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing. Nature communications?9, 244, doi:10.1038/s41467-017-02685-9 (2018).

7 Wang, S.?et al.?Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature?555, 83-88, doi:10.1038/nature25494 (2018).

本文由材料人專欄科技顧問張博士供稿。

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：cailiaokefu.