电子皮肤的最新研究进展

一、研究背景及研究意义

电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激（压力、温度、湿度）的新型电子器件。电子皮肤作为一种柔性触觉仿生传感器已经广泛地应用于人体生理参数检测与机器人触觉感知等领域，近年来是世界各国研究者广泛关注的热点。基于金属和半导体材料的传统电子皮肤触觉传感器，由于柔韧性和可穿戴性差,已经难以满足实际使用中对拉伸性、便携性的要求。得益于柔性材料、制造工艺和传感技术的快速发展，近年来聚乳酸、银纳米线、石墨烯等新材料被用于制备或支撑电子皮肤传感器，使电子皮肤在性能上更趋于人类皮肤。在这里分析讨论了最近电子皮肤新材料以及应用于电子皮肤当中的传感技术,重点总结了电子皮肤在可拉伸压缩性、生物相容性、生物降解性、自供电性、自修复性、温度敏感性以及多功能集成等方面的最新研究进展。

二、电子皮肤的最新研究进展

1、《Science Advances》：基于全纳米纤维摩擦电纳米发电机的透气、可生物降解、抗菌且自供电的电子皮肤

近日，中国科学院大学王中林院士团队报告了一种基于全纳米纤维摩擦纳米发电机的透气，可生物降解和抗菌的电子皮肤，该皮肤是通过将银纳米线（AgNWs）夹在聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和聚乙烯醇（PVA）之间制成的。电子皮肤具有微米级至纳米级的分层多孔结构，具有高比表面积（用于接触带电）和大量毛细管通道（用于进行热湿传递）。通过调节银纳米线的浓度以及聚乙烯醇和聚乳酸-乙醇酸的选择，可以分别调节电子皮肤的抗菌和生物降解能力。所设计的电子皮肤可以实现对全身生理信号和关节运动的实时自动监测。这项工作为多功能电子皮肤提供了一种以前从未探索过的策略，并具有出色的实用性。

图1. 基于TENG的全纳米纤维电子皮肤的结构设计和成分表征

（A）透气，可生物降解和抗菌的电子皮肤的应用场景，可以方便地和保形地附着在表皮上。

（B）基于全纳米纤维TENG的电子皮肤的三维网络结构的示意图。 PLGA和PVA的水接触角和分子结构图像分别插入左上方和左下方。 Ag NW电极的表面扫描电子显微镜（SEM）图像插入右下角（比例尺，2μm）。

（C和D）（C）PLGA（比例尺，10μm）和（D）PVA（比例尺，2μm）纳米纤维膜的优化表面形态SEM图像，其各自的直径分布在右上方。

（E）总厚度为120μm的电子皮肤的照片图像，可以将其缠绕在玻璃棒上并拉伸至100％应变水平。

（F）比较不同纳米纤维薄膜之间的X射线衍射（XRD）曲线。 a.u.，任意单位。

（G）使用能量色散X射线光谱仪（EDX）的全纳米纤维TENG基电子皮肤的横截面（比例尺，50μm）和（H）表面形态（比例尺，20μm）SEM图像元素映射。图片提供：北京纳米能量与纳米系统研究所X.P.

图2. 拉伸性、透气性和电输出性能

（A）PVA，AgNWs/PVA，PLGA，PLGA/AgNWs/PVA和PLGA/AgNWs/PLGA纳米纤维薄膜的单轴拉伸应力-应变行为。

（B）PVA，PLGA和PLGA/AgNWs/PLGA纳米纤维薄膜的透气度的厚度依赖性。

（C）对PLGA/AgNWs/PLGA纳米纤维薄膜的透气率的压差响应。插入了人体皮肤与外部环境之间的微环境中的空气和湿气流动方向图。

（D至F）PLGA/AgNWs/PLGA电子皮肤的频率响应特性，包括（D）VOC，（E）ISC和（F）QSC。

（G和H）在变化的外部电阻下，PLGA/AgNWs/PLGA和PVA/AgNWs/PVA电子皮肤之间的（G）输出电压和电流密度以及（H）峰值功率密度的比较。

（I）分析不同电容容量下两个电子皮肤之间的充电性能。

（J）电子皮肤的厚度依赖性电荷输出密度。仅PLGA的厚度是变化的，而AgNWs/PVA的厚度是固定的。

（K）对宽范围压力的归一化输出电压响应。

（L）具有相对接触分离运动的电子皮肤对不同材料的电压响应。

2、《Nano Energy》：基于超可拉伸摩擦纳米发电机的高灵敏度和自供电的电子皮肤，用于能量收集和触觉传感

近日，郑州大学材料科学与工程学院代坤教授团队通过多层热塑性聚氨酯（TPU）/银纳米线（AgNWs）/还原氧化石墨烯（rGO）制造了基于超可拉伸摩擦纳米发电机（STENG）的柔性自供电电子皮肤。由于TPU纤维毡的超拉伸性能以及多层AgNWs/rGO微观结构的协同作用，我们的电子皮肤具有出色的稳定性和高拉伸性（200%应变）。电子皮肤（2×2 cm²）提供高的开路电压（202.4 V）和大的瞬时功率密度（6 mW/m²），可以用作有效的能源供应设备。所设计的电子皮肤具有很高的灵敏度（78.4 kPa^-1）和对压力的快速响应时间（1.4 ms），证明了其出色的触觉感应能力。基于优异的性能，电子皮肤可以感知机械刺激的强度和运动轨迹，已获得清晰准确的结果。研究结果为制造基于STENG的高性能，自供电电子皮肤提供了一种新的实用策略，用于软机器人，人机交互和物联网。

图3.  AgNWs（a）和rGO（b）的TEM图像。

（c）制作电子皮肤的准备过程和设图。

（d）以rGO和AgNWs为导电填料的电子皮肤的形成过程。（e）基于STENG的电子皮肤的示意图结构。（f）手指上电子皮肤的真实照片。

图4.

（a–e）基于STENG的电子皮肤的工作机制图。

（f）基于STENG的电子皮肤的模拟电势分布。

 3、《Nano Energy》：基于摩擦电纳米发电机的触觉电子皮肤，可同时检测和区分温度和压力

中山大学材料科学与工程学院衣芳教授与清华大学精密仪器系智能微系统实验室王晓峰教授团队基于单电极模式摩擦电纳米发电机（TENG）并结合BiTO和rGO专门制备的热阻电极，开发了一种可以同时实时检测和区分温度和压力，而且还具有良好的柔韧性的触觉电子皮肤。基于TENG的触觉皮肤能够响应压力而输出电压（最高灵敏度为5.07 mV/Pa），其电极电阻随温度而变化，在25~100°C的较宽感温范围内热灵敏度β_25/100达1024 K，25°C时电阻温度系数1.15%/K。压力感测性能在变化的温度下保持稳定，并且温度感测性能在压力下不受干扰。触觉电子皮肤还显示出出色的传感重现性和耐用性。当电子皮肤安装在人体上时，它可以同时监测和区分温度和压力，并且两个信号不会相互干扰。这项工作为可穿戴式传感提供了新途径，为电子皮肤的发展提供了新的思路。

图5. 基于TENG的触觉电子皮肤概述

（a）佩戴在人体上的触觉电子皮肤的示意图，以可区分地同时监视温度和压力。

（b）示意图，显示了触觉电子皮肤的基本结构。

（c）SEM图像显示触觉皮肤表面的金字塔形微结构。

（d–e）从（d）前视图和（e）侧视图得到的触觉皮肤的光学图像。

图6. 触觉电子皮肤的压力感测性能

 4、《Advanced Functional Materials》：基于聚乳酸的压电和驻极体混合纳米发电机的电子皮肤

中国科学院大学王中林院士与任凯亮教授团队报告了一种非压电介孔聚乳酸（meso-PLA）驻极体型摩擦电纳米发电机（NG）的高输出电压与双层聚乳酸（PLLA）的相对高的电流相结合的纳米发电机（PENG），用于电子皮肤（电子皮肤）（HMI）设备应用。具有悬臂结构的混合NG可以在19.7 Hz的共振频率和4.71 g的尖端负载下产生70 V的输出电压和25 µA的电流。此外，混合天然气的输出功率达到0.31 mW，比基于PLLA的PENG的输出功率高11%。而且，基于PLA的混合气体NG可在弯曲测试期间通过能量管理电路打开和关闭发光二极管的光；基于PLA的编织电子皮肤设备在肘部弯曲测试过程中可以产生35 V和1 µA的输出信号。混合NG设备具有良好的生物相容性，易于制造以及相对较高输出功率的优势，为未来的电子皮肤应用显示了广阔的前景。

图7. 混合纳米发电机（NG）的示意图和工作机制

a）混合NG发电机的示意图； b）带有三角波形的E-TENG设备的放大示意图； c）混合气体NG在其初始状态下的电荷分布示意图； d）压缩模式和e）弯曲模式； f）混合NG的初始状态和弯曲状态的照片。

 5、《Science Robot》：生物燃料驱动的柔软电子皮肤，具有用于人机界面的多路复用和无线感应

加利福尼亚理工学院Wei Gao教授团队报告了一种灵活的，完全由汗液驱动的集成电子皮肤（PPES），用于原位多路代谢检测。无需电池的电子皮肤包含多模式传感器和高效乳酸生物燃料电池，它们使用零至三维纳米材料的独特集成来实现高功率强度和长期稳定性。 PPES在未经处理的人体汗液中为生物燃料电池提供了创纪录的5mW/cm^-2的功率密度，并且在连续运行60小时的过程中表现出非常稳定的性能。它可以在长时间的体育锻炼中选择性地监测关键的代谢分析物（例如尿素，NH₄⁺，葡萄糖和pH）和皮肤温度，并使用蓝牙将数据无线传输到用户界面。 PPES还能够监视肌肉收缩，并充当人为假肢行走的人机界面。

 图8. 出汗驱动的软电子皮肤，用于多路无线感应

（A）高效无电池，生物燃料驱动的电子皮肤的示意图。从人体中收集能量，执行多重生物传感，然后通过蓝牙将数据无线传输到移动用户界面。（B和C）健康个体手臂上PPES的照片。比例尺:1cm。（D和E）柔性BFC生物传感器贴片（D）和柔软的电子皮肤界面（E）的示意图。（F）PPES的系统级包装和封装，可进行高效的体内生物流体采样。

 6、《Advanced Science》：基于可拉伸热致变色应变传感器的用户互动式热疗电子皮肤

韩国浦项科技大学Seung Goo Lee教授与蔚山大学 Kilwon Cho教授团队通过将热致变色复合材料和可拉伸应变传感器（由应变响应性银纳米线网络组成）结合在表面能型微皱上，制造了一种用户互动式热疗设备。通过施加的机械应变引起的电阻变化，可以轻松控制设备的颜色和热量。所得的整体装置在耐久性，快速响应，高拉伸性和线性灵敏度方面显示出光反射率和温度的显着变化。该方法为制造动态交互式热疗皮肤提供了一条新的的途径，该途径可用于有效修复受损的结缔组织，并通过同时适应拉伸，提供热量和表现颜色变化来防止皮肤灼伤。

图9. 

a）集成的可拉伸装置的示意图，该装置在拉伸应变下引起热量的产生和颜色变化，以进行热疗康复和工作机制。 b）可拉伸设备的电路图。

 7、《Advanced Materials》：具有可在指定位置提供损伤映射和自主加速的自我修复功能的多功能电子皮肤

以色列理工学院Hossam Haick教授团队报告了一种在环境和/或水下条件下对温度，压力和pH值具有高感应性能的电子皮肤。电子皮肤具有新颖的自我修复能力，该能力包括有效的小规模损害自我修复的内在机制，以及用于损伤映射和大规模损害按需自修复的外在机制在指定位置。总体设计基于多层结构，该结构集成了用于自我监控和损伤检测的类神经元纳米结构网络以及用于选择性自我修复的电加热器阵列。该系统具有显着增强的自我修复功能：它可以将微划痕的愈合时间从24小时减少到30秒。电子平台为开发新的自我修复设备子类别奠定了基础，在该子类别中，电子电路设计用于自我监测，修复和恢复适当的设备功能。

图10. 损坏检测和自我修复的机制示意图

人体皮肤和我们的电子皮肤都涉及相似的过程/功能：A）皮肤的正常功能，例如感应环境信号。B）在某些时候，皮肤暴露于结构和功能损伤。C）损坏检测和定位。D）处理从受损站点收到的信号。E）激活专门的维修系统，导致损坏的恢复。

8、《Advanced Functional Materials》：可拉伸、耐热蚕丝蛋白基电子皮肤，可进行人体温度调节

厦门大学物理科学与技术学院刘向阳教授团队通过再生的丝素蛋白（SF）和聚氨酯之间的强相互作用，对SF进行介观掺杂，合成了坚固而耐热的丝素蛋白复合膜（SFCM）。所获得的SFCM可以承受拉伸试验（> 200%）和热处理（高达160°C）。基于这些优点，可以进行传统的微加工技术，例如喷墨印刷，以在这种蛋白质基质上印刷柔性电路。基于此，在SFCM的两侧成功构建了Ag纳米纤维（NFs）和PtNFs网络，分别用作加热器和温度传感器。而且，基于蛋白质的集成电子皮肤（PBES）具有很高的热稳定性和温度敏感性（0.205%℃^-1）。阵列型PBES可以实现加热和温度分布检测，有助于疏通血管以减轻关节炎的潜在应用。该PBES还具有无炎症和透气性，可以直接层压到人体皮肤上以进行长期热管理。

图11. 基于SFCM的PBES的制造

a）制备柔性透明SFCM的示意图。 b）制造实现加热和温度检测的PBES的示意图。

c）PBES紧贴人脖子和手的摄影图像。

三、总结

压电式、光学式、无线传感等传感原理在电子皮肤传感器中的应用，聚乳酸、银纳米线、石墨烯等新材料的使用和新型传感器结构设计、纳米制造技术和3D、4D打印等先进技术的出现，电子皮肤触觉传感器在可拉伸压缩性、生物相容性、生物降解性、自供电性、自修复性、温度敏感性以及多功能集成等方面已取得了突破性的研究进展，越来越接近人类皮肤特性。 尽管目前电子皮肤领域发展迅速，但在实现将多功能集成到大面积、低成本传感器阵列的目标之前，仍然有很长的路要走。虽然研究人员们目前已经赋予了电子皮肤可拉伸压缩性、生物相容性、生物降解性等诸多性能，甚至其某些性能超过了人类皮肤，如拉伸性伸展距离可以是人类皮肤的很多倍、柔性触觉传感器也具有比人类皮肤高得多的空间分辨率等，但是现有的电子皮肤传感器依然与人类皮肤的综合感知存在着巨大的差距。大面积电子皮肤传感器的扩展性差，高灵敏电子皮肤传感器的制备工艺复杂、成本高昂、柔性与弹性之间的兼顾等问题都亟待解决，进一步优化材料以获得电子皮肤检测限度、灵敏度、稳定性等性能的提升，以及实现与人体神经交互等新功能的拓展等是接下来的研究方向。

四、参考文献

[1] Xiao, P., et al., A breathable, biodegradable, antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectric nanogenerators. Science Advances, 2020.

[2] Kangkang, Z., et al., Ultra-stretchable triboelectric nanogenerator as high-sensitive and self-powered electronic skins for energy harvesting and tactile sensing. Nano Energy, 2020.

[3] Jihong, R., et al., Tactile electronic skin to simultaneously detect and distinguish between temperature and pressure based on a triboelectric nanogenerator. Nano Energy, 2020.

[4] Shaobo, G., et al., Biocompatible Poly(lactic acid)‐Based Hybrid Piezoelectric and Electret Nanogenerator for Electronic Skin Applications. Advanced Functional Materials, 2020.

[5] You, Y., et al., Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces. Science Robotics, 2020.

[6] Giwon, L., et al., User-Interactive Thermotherapeutic Electronic Skin Based on Stretchable Thermochromic Strain Sensor. Advanced Science, 2020.

[7] Muhammad, K., et al., A Multifunctional Electronic Skin Empowered with Damage Mapping and Autonomic Acceleration of Self-Healing in Designated Locations. Advanced Materials, 2020.

[8] Jiani, H., et al., Stretchable and Heat-Resistant Protein-Based Electronic Skin for Human Thermoregulation. Advanced Functional Materials, 2020.

本文由小艺供稿。

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