黃維、霍峰蔚、黃鑫 Adv. Sci.: 具有感應功能的皮革用于多功能電子皮膚

【背景介紹】

? ? ? ? ?皮膚是人體最大的器官，是保護內部器官的物理屏障，并擁有神經網絡來感知環境（溫度、壓力、振動等）刺激。在生活中，人不可避免的會受到外傷（戰爭、自然災害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的肢體保護和后期的仿真修復都具有很大現實意義。電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。研發出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫學診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關重要。例如，鮑哲南團隊通過引入微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應時間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點，因此不適合人長時間穿戴。同時，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機械性能的關鍵因素。其中Rogers團隊通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基底相結合，將傳統的脆性材料轉化為高度柔韌、可拉伸和高性能的電子皮膚。可見通過合理地設計和集成，電子皮膚是可以實現甚至超越真實皮膚的性能。
? ? ? ? 眾所周知，皮革是從動物皮膚獲得的傳統天然材料，同時擁有皮膚的復雜結構。通過傳統的皮革工藝，可以使皮革恢復類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未開發。盡管Rogers團隊使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅將其作為簡單的基底處理，而忽略了皮革結構和性能的優點。皮革的多級結構使其易于擔載其它材料，具有制備高性能電子皮膚的潛能。通過將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結合，可以使這一“死了的皮膚”，“起死回生”重新賦予它類似皮膚，甚至超越皮膚的功能。

【成果簡介】

? ? ? ? ?最近，西北工業大學的黃維院士、南京工業大學的霍峰蔚教授和四川大學的黃鑫教授（共同通訊作者）等報道了一種簡單的、可設計的皮革電子皮膚。它結合了皮革天然復雜的結構、穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性。基于皮革的電子皮膚可以使“死皮”的皮革重新具有感應能力。這種電子皮膚可應用于柔性壓力傳感器、顯示器和用戶交互器件等。它為開發具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了一類新的材料。研究成果以題為“Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin”發布在國際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

1、基于皮革的電子皮膚具有精細的多級結構可以作為擔載不同種類功能性納米材料的獨特平臺。同時，基于皮革的電子皮膚制造過程簡單、通用且可放大生產，并且與傳統皮革工業中的鞣制和染色工藝相匹配。通過合理的設計，使皮革具有感知能力為實現多功能電子皮膚提供了一個新的平臺。

圖一、基于皮革的電子皮膚設計原理示意圖

2、電子皮膚的主要功能就是在感知外部環境的刺激后將刺激轉換為模擬電子信號。因此，導電性是基于皮革的電子皮膚的首要條件。

圖二、導電皮革（a） 導電皮革的制備過程；

（b） 皮革的照片；

（c） 導電皮革的照片；

（d） 皮革的SEM圖像；

（e） 導電皮革的SEM圖像；

（f） 用不同量的酸化碳納米管（a-CNTs）抽濾后，導電皮革具有可調的導電性以及分別擔載了0.08, 0.16和0.32 mg/cm² a-CNTs的導電皮革對應的照片；

（g）CNTs、a-CNTs、皮革和導電皮革的拉曼光譜。

3、由于皮革具有多級結構、多孔性以及豐富的官能團（-COOH，-OH等），因此和皮革與a-CNTs之間存在物理和化學作用，使得a-CNTs在皮革中具有良好的滲透性。同時該制備策略可以擴展到其他納米材料。

圖三、制造策略可以擴展到其他納米材料

（a、e）Ag NWs（銀納米線）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（b、f）PEDOT NFs（聚3,4-乙烯二氧噻吩納米纖維）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（c、g）GO（氧化石墨烯）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（d、h）Au NPs抽濾后的皮革照片和SEM圖像。

4、壓力傳感器的傳感機制是利用外部負載力的增大使得叉指電極陣列之間的導電材料增多，在固定電壓下，壓力的變化與電流的變化相對應。基于導電皮革（a-CNTs/皮革），將一片導電皮革和另一片具有叉指電極的皮革縫合，制造了一種柔性且可穿戴的壓力傳感器。此外，由于皮革的與身俱來的可穿戴性和可裁剪性，該器件可被制造成不同的形狀，如表帶。

圖四、基于導電皮革的可穿戴壓力傳感器（a）柔性壓力傳感器的制造過程示意圖；

（b）表帶形狀的壓力傳感器的照片；

（c）a-CNTs/皮革橫截面的SEM圖像；

（d）在不同壓力下的a-CNTs /皮革的示意圖；

（e）a-CNTs /皮革對不同壓力的反應；

（f、g）在不同放大倍數下a-CNTs /皮革的表面形態的SEM圖像；

（h、i）在不同放大倍數下a-CNTs /皮革的橫截面的SEM圖像；

（j）該壓力傳感器測試的正常情況下的脈搏測試圖；

（k）傳感機制：電流與加載壓力之間的變化關系。

5、將皮革獨特的多級結構與納米材料的優異性能相結合制備的a-CNTs /皮革電子皮膚不僅可以測量不同的壓力，還可以用于持續監測人的手腕脈搏。這表明通過合理的設計，基于皮革的電子皮膚是可以重新具有感知能力。同時導電皮革可被用作顯示器件的背電極，將顯著的促進信息的可視化，有利于改善人們的交流溝通和生活方式。

圖五、基于皮革的顯示器和用戶交互式電子皮膚提供即時的視覺響應
（a） 基于皮革的顯示器件的結構；

（b、 c）分別在斷電和通電情況下的皮革顯示器件的照片；

（d-f）通過調節施加力從輕觸到重按，顯示器件的亮度同步增加；

（g） 基于皮革的用戶交互式電子皮膚的結構。

【總結】

? ? ? ? 文中展示了利用皮革的多級結構、可穿戴性、可加工性以及納米材料的多功能性，可實現特定的功能以及器件的集成，如可穿戴的高靈敏度壓力傳感器用于人體脈搏監測；顯示與傳感器的集成實現人機交互功能等。同時，該電子皮膚的制備過程簡單、通用且可與傳統的皮革工藝相結合，從而有利于低成本的大規模生產。這種基于皮革的電子皮膚通過將傳統皮革工業與新興納米材料相結合，提高皮革附加值的同時，這樣的設計也將有利于新的柔性電子產品的出現，并有助于釋放多功能電子皮膚（智能機器人、健康監測設備等）的潛力。

文獻鏈接：Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin（Adv. Sci., 2018, DOI:10.1002/advs.201801283）

通訊作者簡介：

姓名：黃維? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
職稱：教授
單位：西北工業大學? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
郵箱：provost@nwpu.edu.cn

? ? ? ? ?黃維，中國科學院院士，俄羅斯科學院外籍院士、名譽博士，亞太材料科學院院士、東盟工程與技術科學院外籍院士。西北工業大學常務副校長、教授、博導，有機電子學/柔性電子學家。教育部“長江學者”特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，中組部“千人計劃”國家特聘專家，科技部“973”項目首席科學家。亞太地區工程組織聯合會（FEIAP）副主席（候任主席）、英國謝菲爾德大學名譽博士、英國皇家化學會會士、美國光學學會會士、國際光學工程學會會士。曾獲國家自然科學獎二等獎、何梁何利基金“科學與技術進步獎”，成果入圍中國高等學校十大科技進展。
黃維院士是國際上最早從事聚合物發光二極管顯示研究并長期活躍在有機光電子學、柔性電子學領域的知名學者之一，是中國有機（光）電子學科和柔性（光）電子學科的奠基人與開拓者。以第一或通訊作者身份在Nature、Nat. Mater.、Nat. Photonics、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等SCI學術期刊發表研究論文700余篇，H因子為99，同行引用逾43000余次，是材料科學與化學領域全球高被引學者。他獲授權美國、新加坡和中國等國發明專利260余項，出版了《有機電子學》《生物光電子學》等學術專著。
? ? ? ? ?黃維院士擔任亞太地區工程組織聯合會（FEIAP）候任主席、中國科學院信息技術科學部常委、國家杰出青年科學基金評審委員會委員、國家自然科學基金委員會信息科學部專家評審組成員、國家自然科學基金委員會化學科學部專家咨詢委員會委員、國務院學位委員會學科評議組成員等社會職務以及Research、Adv. Mater.、npj Flexible Electronics等國際權威學術雜志主編或（顧問）編委。榮獲國家自然科學獎二等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎、成果入圍中國高等學校十大科技進展、教育部高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎一等獎、全國優秀科技工作者等獎項和榮譽。

姓名：霍峰蔚?
職稱：教授
單位：南京工業大學先進材料研究院
地址：南京新模范馬路5號
電話：13814051684
郵箱：iamfwhuo@njtech.edu.cn

? ? ? ? 霍峰蔚，教授，博士生導師，現任南京工業大學先進材料研究院副院長、西北工業大學講座教授，曾在新加坡南洋理工大學任助理教授（tenure-track）。現已獲得國家杰出青年項目資助，入選中組部“青年千人”計劃，并承擔江蘇省杰出青年基金、“江蘇省特聘教授”、江蘇省“雙創計劃”等多項人才項目的資助。同時，還負責主持國家重大儀器專項，國家重點研發計劃子課題項目以及國家自然科學基金面上項目。
? ? ? ? 霍峰蔚教授的研究方向聚焦于多孔配位聚合物復合材料的設計合成、選擇性催化、能源存儲及柔性電子器件等方面。霍峰蔚教授發表文章百余篇，包括在Science和Nat. Nanotechnol.期刊上以第一作者身份發表的文章以及在Nat. Chem.、Nat. Commum.、Angew. Chem. Int. Edit.和Adv. Mater.等國際知名期刊上以通訊作者身份發表的文章，SCI他引5000余次，申請國內外專利40余項。
在服務社會方面，霍峰蔚教授擔任ACS Appl. Mater. Inter.副主編（IF: 8.097）；擔任ACS Energy Lett.編委等。

姓名：黃鑫
職稱：副研究員
單位：四川大學制革清潔技術國家工程實驗室
電話：13072829900
郵箱：xhuangscu@163.com

? ? ? ? ?黃鑫，博士，副研究員，博導，四川省杰青，四川省“千人計劃”特聘專家，Journal of Leather Science and Engineering（JLSE）副主編，四川省皮革學會常務理事，《皮革科學與工程》編委。研究方向為皮膠原資源化轉化和利用。近年來，主要開展功能皮革和皮膠原基功能材料的研究，包括皮革在功能性穿戴材料領域的研究，皮膠原在非制革領域的功能化和高值化利用。主持國家級項目2項，省部級項目3項。已發表論文40余篇，包括在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Green Chem.等期刊上發表的第一作者及通訊作者論文。獲四川省科技進步二等獎、四川省優博、四川省皮革行業青年科技創新獎。

本文由材料人高生材料組小胖紙編譯，材料人整理。

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