黄维、霍峰蔚、黄鑫 Adv. Sci.: 具有感应功能的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肢体保护和后期的仿真修复都具有很大现实意义。电子皮肤是一种模仿人体皮肤功能的人工皮肤。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、仿生假肢以及人工智能的研究都至关重要。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快速的响应时间。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底相结合，将传统的脆性材料转化为高度柔韧、可拉伸和高性能的电子皮肤。可见通过合理地设计和集成，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。通过传统的皮革工艺，可以使皮革恢复类似皮肤的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未开发。尽管Rogers团队使用PDMS作为粘合剂将硅器件粘合在皮革上，但他们仅将其作为简单的基底处理，而忽略了皮革结构和性能的优点。皮革的多级结构使其易于担载其它材料，具有制备高性能电子皮肤的潜能。通过将皮革与多样化、功能化的纳米材料相结合，可以使这一“死了的皮肤”，“起死回生”重新赋予它类似皮肤，甚至超越皮肤的功能。

【成果简介】

         最近，西北工业大学的黄维院士、南京工业大学的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。它结合了皮革天然复杂的结构、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柔性压力传感器、显示器和用户交互器件等。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精细的多级结构可以作为担载不同种类功能性纳米材料的独特平台。同时，基于皮革的电子皮肤制造过程简单、通用且可放大生产，并且与传统皮革工业中的鞣制和染色工艺相匹配。通过合理的设计，使皮革具有感知能力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，导电性是基于皮革的电子皮肤的首要条件。

图二、导电皮革（a） 导电皮革的制备过程；

（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） 用不同量的酸化碳纳米管（a-CNTs）抽滤后，导电皮革具有可调的导电性以及分别担载了0.08, 0.16和0.32 mg/cm² a-CNTs的导电皮革对应的照片；

（g）CNTs、a-CNTs、皮革和导电皮革的拉曼光谱。

3、由于皮革具有多级结构、多孔性以及丰富的官能团（-COOH，-OH等），因此和皮革与a-CNTs之间存在物理和化学作用，使得a-CNTs在皮革中具有良好的渗透性。同时该制备策略可以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）Ag NWs（银纳米线）抽滤后的皮革照片和SEM图像；

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

（c、g）GO（氧化石墨烯）抽滤后的皮革照片和SEM图像；

（d、h）Au NPs抽滤后的皮革照片和SEM图像。

4、压力传感器的传感机制是利用外部负载力的增大使得叉指电极阵列之间的导电材料增多，在固定电压下，压力的变化与电流的变化相对应。基于导电皮革（a-CNTs/皮革），将一片导电皮革和另一片具有叉指电极的皮革缝合，制造了一种柔性且可穿戴的压力传感器。此外，由于皮革的与身俱来的可穿戴性和可裁剪性，该器件可被制造成不同的形状，如表带。

图四、基于导电皮革的可穿戴压力传感器（a）柔性压力传感器的制造过程示意图；

（b）表带形状的压力传感器的照片；

（c）a-CNTs/皮革横截面的SEM图像；

（d）在不同压力下的a-CNTs /皮革的示意图；

（e）a-CNTs /皮革对不同压力的反应；

（f、g）在不同放大倍数下a-CNTs /皮革的表面形态的SEM图像；

（h、i）在不同放大倍数下a-CNTs /皮革的横截面的SEM图像；

（j）该压力传感器测试的正常情况下的脉搏测试图；

（k）传感机制：电流与加载压力之间的变化关系。

5、将皮革独特的多级结构与纳米材料的优异性能相结合制备的a-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具有感知能力。同时导电皮革可被用作显示器件的背电极，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。

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） 基于皮革的显示器件的结构；

（b、 c）分别在断电和通电情况下的皮革显示器件的照片；

（d-f）通过调节施加力从轻触到重按，显示器件的亮度同步增加；

（g） 基于皮革的用户交互式电子皮肤的结构。

【总结】

        文中展示了利用皮革的多级结构、可穿戴性、可加工性以及纳米材料的多功能性，可实现特定的功能以及器件的集成，如可穿戴的高灵敏度压力传感器用于人体脉搏监测；显示与传感器的集成实现人机交互功能等。同时，该电子皮肤的制备过程简单、通用且可与传统的皮革工艺相结合，从而有利于低成本的大规模生产。这种基于皮革的电子皮肤通过将传统皮革工业与新兴纳米材料相结合，提高皮革附加值的同时，这样的设计也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）

通讯作者简介：

姓名：黄维                                               
职称：教授
单位：西北工业大学                                                       
邮箱：provost@nwpu.edu.cn

         黄维，中国科学院院士，俄罗斯科学院外籍院士、名誉博士，亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士。西北工业大学常务副校长、教授、博导，有机电子学/柔性电子学家。教育部“长江学者”特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，中组部“千人计划”国家特聘专家，科技部“973”项目首席科学家。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）副主席（候任主席）、英国谢菲尔德大学名誉博士、英国皇家化学会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士。曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金“科学与技术进步奖”，成果入围中国高等学校十大科技进展。
黄维院士是国际上最早从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学、柔性电子学领域的知名学者之一，是中国有机（光）电子学科和柔性（光）电子学科的奠基人与开拓者。以第一或通讯作者身份在Nature、Nat. Mater.、Nat. Photonics、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等SCI学术期刊发表研究论文700余篇，H因子为99，同行引用逾43000余次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。他获授权美国、新加坡和中国等国发明专利260余项，出版了《有机电子学》《生物光电子学》等学术专著。
         黄维院士担任亚太地区工程组织联合会（FEIAP）候任主席、中国科学院信息技术科学部常委、国家杰出青年科学基金评审委员会委员、国家自然科学基金委员会信息科学部专家评审组成员、国家自然科学基金委员会化学科学部专家咨询委员会委员、国务院学位委员会学科评议组成员等社会职务以及Research、Adv. Mater.、npj Flexible Electronics等国际权威学术杂志主编或（顾问）编委。荣获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、成果入围中国高等学校十大科技进展、教育部高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一等奖、全国优秀科技工作者等奖项和荣誉。

姓名：霍峰蔚 
职称：教授
单位：南京工业大学先进材料研究院
地址：南京新模范马路5号
电话：13814051684
邮箱：iamfwhuo@njtech.edu.cn

        霍峰蔚，教授，博士生导师，现任南京工业大学先进材料研究院副院长、西北工业大学讲座教授，曾在新加坡南洋理工大学任助理教授（tenure-track）。现已获得国家杰出青年项目资助，入选中组部“青年千人”计划，并承担江苏省杰出青年基金、“江苏省特聘教授”、江苏省“双创计划”等多项人才项目的资助。同时，还负责主持国家重大仪器专项，国家重点研发计划子课题项目以及国家自然科学基金面上项目。
        霍峰蔚教授的研究方向聚焦于多孔配位聚合物复合材料的设计合成、选择性催化、能源存储及柔性电子器件等方面。霍峰蔚教授发表文章百余篇，包括在Science和Nat. Nanotechnol.期刊上以第一作者身份发表的文章以及在Nat. Chem.、Nat. Commum.、Angew. Chem. Int. Edit.和Adv. Mater.等国际知名期刊上以通讯作者身份发表的文章，SCI他引5000余次，申请国内外专利40余项。
在服务社会方面，霍峰蔚教授担任ACS Appl. Mater. Inter.副主编（IF: 8.097）；担任ACS Energy Lett.编委等。

姓名：黄鑫
职称：副研究员
单位：四川大学制革清洁技术国家工程实验室
电话：13072829900
邮箱：xhuangscu@163.com

         黄鑫，博士，副研究员，博导，四川省杰青，四川省“千人计划”特聘专家，Journal of Leather Science and Engineering（JLSE）副主编，四川省皮革学会常务理事，《皮革科学与工程》编委。研究方向为皮胶原资源化转化和利用。近年来，主要开展功能皮革和皮胶原基功能材料的研究，包括皮革在功能性穿戴材料领域的研究，皮胶原在非制革领域的功能化和高值化利用。主持国家级项目2项，省部级项目3项。已发表论文40余篇，包括在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Green Chem.等期刊上发表的第一作者及通讯作者论文。获四川省科技进步二等奖、四川省优博、四川省皮革行业青年科技创新奖。

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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