新型電子皮膚可實時檢測生理信號

近日，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊在電子皮膚領域取得新突破。團隊提出的一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚，一改先前穿戴不方便、不美觀的缺點，能夠讓電子皮膚發揮更大作用。

實驗結果表明，這種新型電子皮膚系統除了具有優異的柔性、透明性和電化學性能以及高靈敏度之外，充電後，該一體式電子皮膚還可模倣人類皮膚感知功能，貼敷於人體皮膚實現對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大範圍肢體運動的多尺度人體活動的實時檢測。

解決傳統電子皮膚多個技術難題

蘭偉介紹，模倣人類皮膚感知功能的電子皮膚是一種新型的柔性可穿戴感測器，具有輕薄、柔軟、靈活等特點，可將外界刺激轉化為不同的輸出信號，因此在智慧醫療、人機交互、虛擬現實和人工智慧等領域具有廣闊的應用前景。

“傳統電子皮膚大多需要與外部電源整合，以及多設備協同工作。”蘭偉説，除了傳感部分外，傳統電子皮膚大多數組件通常都是剛性的，這極大地影響了電子皮膚的美感、舒適性和安全性，也對信號採集産生了不利影響。

“現有的電子皮膚通常依靠笨重的剛性電池或能量收集裝置來運作。”蘭偉介紹，但前者機械剛性大、重量大、體積大，後者受位置、機體或環境機械活動水準等特殊條件的限制，不能提供持續穩定的能源供給。因此，迫切需要開發和構建一款輕薄、柔軟、高透明度和高穩定性的一體化自供電透明電子皮膚。

此外，實現電子皮膚透明化，可滿足視覺或美學的要求，也是走向實用化的必經之路。電子皮膚的透明效果可為其功能設計提供更多靈感，例如與光伏能源收集模組和變色效果整合。

“目前大多數電子皮膚多為不透明或部分透明，這主要是受限于結構設計、材料選擇和滲流理論。”蘭偉説，理想的柔性電子皮膚應該是其所有組成部件具有可拉伸性、透明性且高度整合，有獨立穩定可靠的能源供應組件以及無線資訊傳輸功能。

基於長期的工作積累和研究經驗，研究團隊提出了一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚。

蘭偉介紹，該系統由透明超級電容器、可拉伸透明應變感測器和蛇形電阻組成。由一維銀奈米線和二維MXene奈米片構建的“島橋結構”應變感測器具有極高的靈敏度，超級電容器作為“隱身”電源可為一體式電子皮膚系統進行供電。“本研究解決了現有的電子皮膚依靠外部電源供電且需有線連接、非透明缺乏美感的問題。”蘭偉説。

實現了各尺度人體活動的檢測

蘭偉介紹，團隊的該項研究除了設計一種一體式自供能的全透明柔性電子皮膚，實現了透明超級電容器、可拉伸透明應變感測器和蛇形電阻的單片整合外，更重要的是實現了對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大範圍肢體運動在內的多尺度人體活動的檢測。

“如何在保持一定透光率的前提下實現超級電容器的高儲能性能和感測器的高靈敏度，是研究團隊面臨的最大困難。”蘭偉説。

此前，團隊長期從事柔性電子學方面的應用基礎研究，積累了大量的實驗數據。2017年，團隊首次提出了基於一維銀奈米線網路的柔性透明熱療片；2019年，團隊將銀奈米線網路作為超級電容器的集流體，在表面原位構建了具有高贗電容特性的二維垂直奈米片陣列作為活性材料，同時實現了器件的高透明度和出色的電化學儲能特性。為了擺脫滲流理論限制，團隊通過靜電紡絲結合磁控濺射技術製備出了大面積、排布方向可控的金屬銀奈米纖維網路的柔性透明電極，使導電性和透光率兩個關鍵指標方面同時得到了大幅度提升。

2021年，團隊將銀奈米纖維網路作為超級電容器的集流體，設計構建了銀奈米纖維與氧化鉬奈米線複合的電極結構，在不犧牲透光率的前提下實現了器件電化學儲能特性的大幅度提升。同年，團隊通過調控銀奈米纖維的排布方向，發現基於定向排列銀纖維網路的透明熱療片顯示出非常優異的透明性、導電性和機械穩定性。多個相關技術已獲得中國發明專利授權。

基於前期工作積累，團隊進一步從材料選擇、結構設計、製備工藝優化多等方面入手，進行一體式自供能的全透明柔性電子皮膚攻關，如利用缺陷工程提升超級電容器的能量密度，引入奈米纖維素調控光折射率構築自支撐紙電極，設計一維銀奈米線複合二維奈米片網路和“島—橋”結構設計提高感測器的透明性和靈敏度等。

未來電子皮膚將更接近真實皮膚

“電子皮膚是未來可穿戴電子設備的核心，具有廣闊的應用前景。”蘭偉説，例如醫生佩戴電子皮膚可以使手術機器人獲取實時資訊讓手術更精準；通過觸覺反饋實現親人之間或朋友之間的遠端“觸摸”；讓電子遊戲玩家不單單享受視覺衝擊，更能切身體驗遊戲中多種感受。這款電子皮膚具有厚度薄、柔軟親膚和生物相容性好等優點，可以直接貼敷在人體皮膚上檢測微弱生理信號如脈搏、聲帶振動、吞咽和大範圍肢體運動狀態如頸椎、手腕、肘關節、膝關節、腳踝等的活動。接下來，他們將著重解決傳感、電源等方面的問題。

在傳感方面，目前該電子皮膚功能較為單一，主要實現了拉伸應變傳感，未來團隊將通過材料複合、結構設計、封裝策略等途徑實現壓力、溫度、濕度等多維感知功能整合。傳感功能多樣化也將帶來技術難度的指數式增加，包括製造工藝複雜、成本高、不同信號之間的嚴重串擾等，如何通過巧妙的結構設計同時識別多個不同信號而不産生相互干擾顯得尤為重要。此外，現有電子皮膚大多由彈性硅膠拉伸體製成，為了提高使用者長期佩戴的舒適度，電子皮膚還應該具備一定的透氣性和更加靈活的延展性。“我們希望在未來能夠製成更接近真實皮膚的電子皮膚。”蘭偉説。

“電源方面，我們柔性電子科研團隊將進一步提升柔性電池和超級電容器的能量密度，並探索與其他能量供應方式整合，如奈米發電機、光伏裝置等，希望可滿足電子皮膚的持續不間斷供電。”蘭偉説，另外，實現電子皮膚的無線信號傳輸、多設備協同、全柔性的後端電路與電子皮膚整合是整個系統未來多場景規模化應用的關鍵，他們希望未來可以與國內外相關科研團隊合作解決這些技術難題。