電子皮膚的最新研究進展

一、研究背景及研究意義

電子皮膚是通過電學信號的集成與反饋來模擬人體皮膚感受外界刺激（壓力、溫度、濕度）的新型電子器件。電子皮膚作為一種柔性觸覺仿生傳感器已經廣泛地應用于人體生理參數檢測與機器人觸覺感知等領域，近年來是世界各國研究者廣泛關注的熱點。基于金屬和半導體材料的傳統電子皮膚觸覺傳感器，由于柔韌性和可穿戴性差,已經難以滿足實際使用中對拉伸性、便攜性的要求。得益于柔性材料、制造工藝和傳感技術的快速發展，近年來聚乳酸、銀納米線、石墨烯等新材料被用于制備或支撐電子皮膚傳感器，使電子皮膚在性能上更趨于人類皮膚。在這里分析討論了最近電子皮膚新材料以及應用于電子皮膚當中的傳感技術,重點總結了電子皮膚在可拉伸壓縮性、生物相容性、生物降解性、自供電性、自修復性、溫度敏感性以及多功能集成等方面的最新研究進展。

二、電子皮膚的最新研究進展

1、《Science Advances》：基于全納米纖維摩擦電納米發電機的透氣、可生物降解、抗菌且自供電的電子皮膚

近日，中國科學院大學王中林院士團隊報告了一種基于全納米纖維摩擦納米發電機的透氣，可生物降解和抗菌的電子皮膚，該皮膚是通過將銀納米線（AgNWs）夾在聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和聚乙烯醇（PVA）之間制成的。電子皮膚具有微米級至納米級的分層多孔結構，具有高比表面積（用于接觸帶電）和大量毛細管通道（用于進行熱濕傳遞）。通過調節銀納米線的濃度以及聚乙烯醇和聚乳酸-乙醇酸的選擇，可以分別調節電子皮膚的抗菌和生物降解能力。所設計的電子皮膚可以實現對全身生理信號和關節運動的實時自動監測。這項工作為多功能電子皮膚提供了一種以前從未探索過的策略，并具有出色的實用性。

圖1. 基于TENG的全納米纖維電子皮膚的結構設計和成分表征

（A）透氣，可生物降解和抗菌的電子皮膚的應用場景，可以方便地和保形地附著在表皮上。

（B）基于全納米纖維TENG的電子皮膚的三維網絡結構的示意圖。 PLGA和PVA的水接觸角和分子結構圖像分別插入左上方和左下方。 Ag NW電極的表面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像插入右下角（比例尺，2μm）。

（C和D）（C）PLGA（比例尺，10μm）和（D）PVA（比例尺，2μm）納米纖維膜的優化表面形態SEM圖像，其各自的直徑分布在右上方。

（E）總厚度為120μm的電子皮膚的照片圖像，可以將其纏繞在玻璃棒上并拉伸至100％應變水平。

（F）比較不同納米纖維薄膜之間的X射線衍射（XRD）曲線。 a.u.，任意單位。

（G）使用能量色散X射線光譜儀（EDX）的全納米纖維TENG基電子皮膚的橫截面（比例尺，50μm）和（H）表面形態（比例尺，20μm）SEM圖像元素映射。圖片提供：北京納米能量與納米系統研究所X.P.

圖2. 拉伸性、透氣性和電輸出性能

（A）PVA，AgNWs/PVA，PLGA，PLGA/AgNWs/PVA和PLGA/AgNWs/PLGA納米纖維薄膜的單軸拉伸應力-應變行為。

（B）PVA，PLGA和PLGA/AgNWs/PLGA納米纖維薄膜的透氣度的厚度依賴性。

（C）對PLGA/AgNWs/PLGA納米纖維薄膜的透氣率的壓差響應。插入了人體皮膚與外部環境之間的微環境中的空氣和濕氣流動方向圖。

（D至F）PLGA/AgNWs/PLGA電子皮膚的頻率響應特性，包括（D）VOC，（E）ISC和（F）QSC。

（G和H）在變化的外部電阻下，PLGA/AgNWs/PLGA和PVA/AgNWs/PVA電子皮膚之間的（G）輸出電壓和電流密度以及（H）峰值功率密度的比較。

（I）分析不同電容容量下兩個電子皮膚之間的充電性能。

（J）電子皮膚的厚度依賴性電荷輸出密度。僅PLGA的厚度是變化的，而AgNWs/PVA的厚度是固定的。

（K）對寬范圍壓力的歸一化輸出電壓響應。

（L）具有相對接觸分離運動的電子皮膚對不同材料的電壓響應。

2、《Nano Energy》：基于超可拉伸摩擦納米發電機的高靈敏度和自供電的電子皮膚，用于能量收集和觸覺傳感

近日，鄭州大學材料科學與工程學院代坤教授團隊通過多層熱塑性聚氨酯（TPU）/銀納米線（AgNWs）/還原氧化石墨烯（rGO）制造了基于超可拉伸摩擦納米發電機（STENG）的柔性自供電電子皮膚。由于TPU纖維氈的超拉伸性能以及多層AgNWs/rGO微觀結構的協同作用，我們的電子皮膚具有出色的穩定性和高拉伸性（200%應變）。電子皮膚（2×2 cm²）提供高的開路電壓（202.4 V）和大的瞬時功率密度（6 mW/m²），可以用作有效的能源供應設備。所設計的電子皮膚具有很高的靈敏度（78.4 kPa^-1）和對壓力的快速響應時間（1.4 ms），證明了其出色的觸覺感應能力。基于優異的性能，電子皮膚可以感知機械刺激的強度和運動軌跡，已獲得清晰準確的結果。研究結果為制造基于STENG的高性能，自供電電子皮膚提供了一種新的實用策略，用于軟機器人，人機交互和物聯網。

圖3. ?AgNWs（a）和rGO（b）的TEM圖像。

（c）制作電子皮膚的準備過程和設圖。

（d）以rGO和AgNWs為導電填料的電子皮膚的形成過程。（e）基于STENG的電子皮膚的示意圖結構。（f）手指上電子皮膚的真實照片。

圖4.

（a–e）基于STENG的電子皮膚的工作機制圖。

（f）基于STENG的電子皮膚的模擬電勢分布。

?3、《Nano Energy》：基于摩擦電納米發電機的觸覺電子皮膚，可同時檢測和區分溫度和壓力

中山大學材料科學與工程學院衣芳教授與清華大學精密儀器系智能微系統實驗室王曉峰教授團隊基于單電極模式摩擦電納米發電機（TENG）并結合BiTO和rGO專門制備的熱阻電極，開發了一種可以同時實時檢測和區分溫度和壓力，而且還具有良好的柔韌性的觸覺電子皮膚。基于TENG的觸覺皮膚能夠響應壓力而輸出電壓（最高靈敏度為5.07 mV/Pa），其電極電阻隨溫度而變化，在25~100°C的較寬感溫范圍內熱靈敏度β_25/100達1024 K，25°C時電阻溫度系數1.15%/K。壓力感測性能在變化的溫度下保持穩定，并且溫度感測性能在壓力下不受干擾。觸覺電子皮膚還顯示出出色的傳感重現性和耐用性。當電子皮膚安裝在人體上時，它可以同時監測和區分溫度和壓力，并且兩個信號不會相互干擾。這項工作為可穿戴式傳感提供了新途徑，為電子皮膚的發展提供了新的思路。

圖5.?基于TENG的觸覺電子皮膚概述

（a）佩戴在人體上的觸覺電子皮膚的示意圖，以可區分地同時監視溫度和壓力。

（b）示意圖，顯示了觸覺電子皮膚的基本結構。

（c）SEM圖像顯示觸覺皮膚表面的金字塔形微結構。

（d–e）從（d）前視圖和（e）側視圖得到的觸覺皮膚的光學圖像。

圖6.?觸覺電子皮膚的壓力感測性能

?4、《Advanced Functional Materials》：基于聚乳酸的壓電和駐極體混合納米發電機的電子皮膚

中國科學院大學王中林院士與任凱亮教授團隊報告了一種非壓電介孔聚乳酸（meso-PLA）駐極體型摩擦電納米發電機（NG）的高輸出電壓與雙層聚乳酸（PLLA）的相對高的電流相結合的納米發電機（PENG），用于電子皮膚（電子皮膚）（HMI）設備應用。具有懸臂結構的混合NG可以在19.7 Hz的共振頻率和4.71 g的尖端負載下產生70 V的輸出電壓和25 μA的電流。此外，混合天然氣的輸出功率達到0.31 mW，比基于PLLA的PENG的輸出功率高11%。而且，基于PLA的混合氣體NG可在彎曲測試期間通過能量管理電路打開和關閉發光二極管的光；基于PLA的編織電子皮膚設備在肘部彎曲測試過程中可以產生35 V和1 μA的輸出信號。混合NG設備具有良好的生物相容性，易于制造以及相對較高輸出功率的優勢，為未來的電子皮膚應用顯示了廣闊的前景。

圖7. 混合納米發電機（NG）的示意圖和工作機制

a）混合NG發電機的示意圖；?b）帶有三角波形的E-TENG設備的放大示意圖；?c）混合氣體NG在其初始狀態下的電荷分布示意圖； d）壓縮模式和e）彎曲模式；?f）混合NG的初始狀態和彎曲狀態的照片。

?5、《Science Robot》：生物燃料驅動的柔軟電子皮膚，具有用于人機界面的多路復用和無線感應

加利福尼亞理工學院Wei Gao教授團隊報告了一種靈活的，完全由汗液驅動的集成電子皮膚（PPES），用于原位多路代謝檢測。無需電池的電子皮膚包含多模式傳感器和高效乳酸生物燃料電池，它們使用零至三維納米材料的獨特集成來實現高功率強度和長期穩定性。 PPES在未經處理的人體汗液中為生物燃料電池提供了創紀錄的5mW/cm^-2的功率密度，并且在連續運行60小時的過程中表現出非常穩定的性能。它可以在長時間的體育鍛煉中選擇性地監測關鍵的代謝分析物（例如尿素，NH₄⁺，葡萄糖和pH）和皮膚溫度，并使用藍牙將數據無線傳輸到用戶界面。 PPES還能夠監視肌肉收縮，并充當人為假肢行走的人機界面。

?圖8.?出汗驅動的軟電子皮膚，用于多路無線感應

（A）高效無電池，生物燃料驅動的電子皮膚的示意圖。從人體中收集能量，執行多重生物傳感，然后通過藍牙將數據無線傳輸到移動用戶界面。（B和C）健康個體手臂上PPES的照片。比例尺:1cm。（D和E）柔性BFC生物傳感器貼片（D）和柔軟的電子皮膚界面（E）的示意圖。（F）PPES的系統級包裝和封裝，可進行高效的體內生物流體采樣。

?6、《Advanced Science》：基于可拉伸熱致變色應變傳感器的用戶互動式熱療電子皮膚

韓國浦項科技大學Seung Goo Lee教授與蔚山大學?Kilwon Cho教授團隊通過將熱致變色復合材料和可拉伸應變傳感器（由應變響應性銀納米線網絡組成）結合在表面能型微皺上，制造了一種用戶互動式熱療設備。通過施加的機械應變引起的電阻變化，可以輕松控制設備的顏色和熱量。所得的整體裝置在耐久性，快速響應，高拉伸性和線性靈敏度方面顯示出光反射率和溫度的顯著變化。該方法為制造動態交互式熱療皮膚提供了一條新的的途徑，該途徑可用于有效修復受損的結締組織，并通過同時適應拉伸，提供熱量和表現顏色變化來防止皮膚灼傷。

圖9.?

a）集成的可拉伸裝置的示意圖，該裝置在拉伸應變下引起熱量的產生和顏色變化，以進行熱療康復和工作機制。 b）可拉伸設備的電路圖。

?7、《Advanced Materials》：具有可在指定位置提供損傷映射和自主加速的自我修復功能的多功能電子皮膚

以色列理工學院Hossam Haick教授團隊報告了一種在環境和/或水下條件下對溫度，壓力和pH值具有高感應性能的電子皮膚。電子皮膚具有新穎的自我修復能力，該能力包括有效的小規模損害自我修復的內在機制，以及用于損傷映射和大規模損害按需自修復的外在機制在指定位置。總體設計基于多層結構，該結構集成了用于自我監控和損傷檢測的類神經元納米結構網絡以及用于選擇性自我修復的電加熱器陣列。該系統具有顯著增強的自我修復功能：它可以將微劃痕的愈合時間從24小時減少到30秒。電子平臺為開發新的自我修復設備子類別奠定了基礎，在該子類別中，電子電路設計用于自我監測，修復和恢復適當的設備功能。

圖10. 損壞檢測和自我修復的機制示意圖

人體皮膚和我們的電子皮膚都涉及相似的過程/功能：A）皮膚的正常功能，例如感應環境信號。B）在某些時候，皮膚暴露于結構和功能損傷。C）損壞檢測和定位。D）處理從受損站點收到的信號。E）激活專門的維修系統，導致損壞的恢復。

8、《Advanced Functional Materials》：可拉伸、耐熱蠶絲蛋白基電子皮膚，可進行人體溫度調節

廈門大學物理科學與技術學院劉向陽教授團隊通過再生的絲素蛋白（SF）和聚氨酯之間的強相互作用，對SF進行介觀摻雜，合成了堅固而耐熱的絲素蛋白復合膜（SFCM）。所獲得的SFCM可以承受拉伸試驗（> 200%）和熱處理（高達160°C）。基于這些優點，可以進行傳統的微加工技術，例如噴墨印刷，以在這種蛋白質基質上印刷柔性電路。基于此，在SFCM的兩側成功構建了Ag納米纖維（NFs）和PtNFs網絡，分別用作加熱器和溫度傳感器。而且，基于蛋白質的集成電子皮膚（PBES）具有很高的熱穩定性和溫度敏感性（0.205%℃^-1）。陣列型PBES可以實現加熱和溫度分布檢測，有助于疏通血管以減輕關節炎的潛在應用。該PBES還具有無炎癥和透氣性，可以直接層壓到人體皮膚上以進行長期熱管理。

圖11. 基于SFCM的PBES的制造

a）制備柔性透明SFCM的示意圖。 b）制造實現加熱和溫度檢測的PBES的示意圖。

c）PBES緊貼人脖子和手的攝影圖像。

三、總結

壓電式、光學式、無線傳感等傳感原理在電子皮膚傳感器中的應用，聚乳酸、銀納米線、石墨烯等新材料的使用和新型傳感器結構設計、納米制造技術和3D、4D打印等先進技術的出現，電子皮膚觸覺傳感器在可拉伸壓縮性、生物相容性、生物降解性、自供電性、自修復性、溫度敏感性以及多功能集成等方面已取得了突破性的研究進展，越來越接近人類皮膚特性。 盡管目前電子皮膚領域發展迅速，但在實現將多功能集成到大面積、低成本傳感器陣列的目標之前，仍然有很長的路要走。雖然研究人員們目前已經賦予了電子皮膚可拉伸壓縮性、生物相容性、生物降解性等諸多性能，甚至其某些性能超過了人類皮膚，如拉伸性伸展距離可以是人類皮膚的很多倍、柔性觸覺傳感器也具有比人類皮膚高得多的空間分辨率等，但是現有的電子皮膚傳感器依然與人類皮膚的綜合感知存在著巨大的差距。大面積電子皮膚傳感器的擴展性差，高靈敏電子皮膚傳感器的制備工藝復雜、成本高昂、柔性與彈性之間的兼顧等問題都亟待解決，進一步優化材料以獲得電子皮膚檢測限度、靈敏度、穩定性等性能的提升，以及實現與人體神經交互等新功能的拓展等是接下來的研究方向。

四、參考文獻

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