黄维院士、霍峰蔚&黄鑫 Adv. Sci.: 具有感应功能的改性皮革用于多功能电子皮肤

【背景介绍】

        皮肤是人体最大的器官，是保护内部器官的物理屏障，并拥有神经网络来感知环境（温度、压力、振动等）刺激。在生活中，人不可避免的会受到外伤（战争、自然灾害等），损坏皮肤，因而人工皮肤在前期的保护免受伤害和后期的仿真修复都具有很大现实意义。而电子皮肤是一种模仿的人体皮肤功能的人工皮肤。在人工智能研究领域中，研发出能够模仿甚至超越人类皮肤的电子皮肤对于医学诊断和仿生假肢都至关最要。例如，鲍哲南团队通过引入微结构聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使获得的电子皮肤具有前所未有的灵敏度和短的响应时间。虽然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透气的缺点，因此不适合人长时间穿戴。同时，柔韧性是电子皮肤模拟人体皮肤机械性能的关键因素。其中Rogers团队通过将松散的蛇纹石纳米带与弹性体基质相结合，将传统的脆性材料转化为高度柔韧、可拉伸和可表现的电子皮肤。可见合理地集成不同功能的电子皮肤是可以实现甚至超越真实皮肤的性能。
        众所周知，皮革是从动物皮肤获得的传统天然材料，同时拥有皮肤的复杂结构。虽然传统皮革的感知能力处于剥离状态，但是可以恢复真皮的重要功能——敏感性。尽管Rogers团队使用PDMS作为粘合剂将硅器件粘合在皮革上，但他们仅是将其作为简单的基材处理，而忽略了皮革结构和性能的优点。由于皮革的层次结构使其易于装载其他材料，所有皮革是作为制造高性能电子皮肤的潜在候选者。通过将不同的功能材料与皮革相结合制造出的新皮革，让“死皮”重新被利用甚至超越真皮。

【成果简介】

        最近，南京工业大学的黄维院士、霍峰蔚教授和四川大学的黄鑫教授（共同通讯作者）等报道了一种简单的、可设计的皮革电子皮肤。它结合了天然复杂的结构、皮革穿戴的舒适性和纳米材料的多功能特性。 基于皮革的电子皮肤可以使“死皮”的皮革重新具有感应能力。这种电子皮肤可应用于灵活的压力传感器、显示器和用户交互装置等。它为开发具有模仿甚至超越真皮功能的多功能电子皮肤提供了一类新的材料。研究成果以题为“Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin”发布在国际著名期刊Adv. Sci.上。

【图文解读】

1、基于皮革的电子皮肤具有复杂层次结构可以作为加载不同种类功能性纳米材料的独特平台。同时，制造基于皮革的电子皮肤的过程简单、通用且可扩展，并且与传统皮革工业中的鞣制和染色程序很好地匹配。通过合理的设计，改变皮革的用途为实现多功能电子皮肤提供了一个新的平台。

图一、基于皮革的电子皮肤设计原理示意图

2、电子皮肤的主要功能就是在感知外部环境的刺激后将刺激转换为模拟电子信号。因此，基于皮革的电子皮肤的导电性至关重要。

图二、导电皮革

（a） 导电皮革的制造过程；

（b） 皮革的照片；

（c） 导电皮革的照片；

（d） 皮革的SEM图像；

（e） 导电皮革的SEM图像；

（f） 分别用0.08, 0.16和0.32 mg .cm^-2的α-CNTs冲击后，导电皮革的可调电导率和对应的照片；

（g）CNTs、α-CNTs、皮革和导电皮革的拉曼光谱。

3、由于皮革具有层状、多孔的结构和皮革与碳纳米管之间存在化学作用，因此α-CNTs在皮革中具有良好的渗透性。基于α-CNTs对皮革的良好渗透性是皮革结构和皮革与α-CNTs之间化学相互作用的结果，因此或许可以将这种制造方法扩展到其他纳米材料。

图三、制造策略可以扩展到其他纳米材料
（a、e）参杂Ag NWs（银纳米线）的皮革照片和SEM图像；

（b、f）参杂PEDOT NFs（聚3,4-乙烯二氧噻吩纳米纤维）的皮革照片和SEM图像；

（c、g）参杂GO（石墨烯氧化物）的皮革照片和SEM图像；

（d、h）参杂Au NPs的皮革照片和SEM图像。

4、压力传感器的传感机制是利用外部负载力让交叉指型的电极阵列之间的导电、传到电信号。基于导电皮革（α-CNTs /皮革），利用一个导电皮革和一个用交叉电极阵列图案化的皮革，设计制造了一种柔软且可穿戴的具有传感特性的压力传感器。此外，由于皮革的固有可穿戴性和柔性，因此该装置可以制成不同的形状。

图四、基于导电皮革的柔性和可穿戴的压力传感器
（a）柔性压力传感器的制造过程的示意图；

（b）直接在手腕动脉上方的表带形状的电子皮肤的照片；

（c）α-CNTs /皮革的横截面形态的SEM图像；

（d）在不同压力下的α-CNTs /皮革的示意图；

（e）α-CNTs /皮革对各种压力的反应；

（f、g）在不同放大倍数下α-CNTs /皮革的表面形态的SEM图像；

（h、i）在不同放大倍数下α-CNT /皮革的横截面的SEM图像；

（j）在正常条件下测量手腕脉冲的物理力；

（k）传感机制：响应加载和卸载压力的电流变化。

5、将皮革独特的分层结构与纳米材料的优异性能相结合制备的α-CNTs /皮革电子皮肤不仅可以测量不同的压力，还可以用于持续监测人的手腕脉搏。这表明通过合理的设计，基于皮革的电子皮肤是可以重新利用触觉，将显著的促进信息的可视化，有利于改善人们的交流沟通和生活方式。同时，由于其独特的平面结构和可调电导率，α-CNTs /皮革可以用作显示器的负极。

图五、基于皮革的显示器和用户交互式电子皮肤提供即时的视觉响应
（a） 基于皮革的显示器的结构；

（b、 c）分别在打开之前和之后的皮革显示器的照片；

（d-f）通过调节从轻触到深按的施加力，显示器的亮度同步增加；

（g） 基于皮革的用户交互式电子皮肤的结构。

【总结】

        文中展示了一种重新利用皮肤的压力传感特性显示用户交互以及人体健康监测的实用的电子皮肤。这种电子皮肤是基于皮革的复杂结构和纳米材料的多功能特性而实现其优良特性的。由于皮革的复杂层次结构，使得基于皮革的电子皮肤具有高灵敏度性。并且基于皮革的电子皮肤具有制造过程简单、通用且可扩展的优点，从而有利于低成本的大规模生产。这种利用皮革作为柔软和可穿戴电子产品基材的策略，展示了低价值皮革上升循环的增值前景。相信这样的设计将有利于新的柔性电子产品的出现，并有助于释放多功能电子皮肤（智能机器人、健康监测设备等）的潜力。

文献链接：Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin（Adv. Sci., 2018, DOI:10.1002/advs.201801283）

本文由材料人高生材料组小胖纸编译，材料人整理。

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