北京纳米能源所Nature子刊：可拉伸扩展的多功能集成电子皮肤

【引言】

人体皮肤是一个活跃、非常敏感和高弹性的感觉器官，主要承担着保护身体、排汗、温度调节、感知冷热和压力等功能。人体躯体感觉系统能够通过皮肤中的触觉、温度、痛觉等感受器将外界环境刺激转化为电脉冲信号，经过神经通路传导至神经中枢，从而使皮肤获得触觉、痛觉等感觉功能。基于皮肤这种多功能生物模型，科学家们开展了一门新兴学科研究——触感电子学（俗称“电子皮肤”，Electronic skin, E-skin），用来模仿皮肤的感觉功能如触觉、温度感知等功能。目前，电子皮肤是在柔性或弹性基底上制作具备探测压力、温度或其他刺激的传感器及阵列，能够感知周围环境中的多种物理、化学、生物等信号，将有助于开发新型人机接口、智能机器人、仿生假肢等智能化系统。电子皮肤的重要发展趋势是：多功能化以及多重刺激同步监测。

【成果简介】

近日，来自中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰研究员、王中林院士的研究团队在Nature子刊Nature Communications上发表题为“Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing”的文章。该文章报道了一种柔性可拉伸扩展的多功能集成传感器阵列，成功地将电子皮肤的探测能力扩展到7种，实现了温度、湿度、紫外光、磁、应变、压力和接近等多种外界刺激的实时同步监测。

【图文导读】

图一：皮肤启发的可拉伸扩展的多功能集成电子皮肤（SCMN）

a. 由皮肤的结构和功能启发的概念示意图；

b. 具备可拉伸扩展功能的聚酰亚胺（PI）拉伸结构网络；

c. PI拉伸结构网络的SEM图；

d. SCMN的结构示意图；

e. SCMN的柔性、拉伸性和贴合性等图。

图二：PI拉伸结构的力学和电学性能

a. 蜿蜒拉伸结构的力学和电学测试；

b. 蜿蜒拉伸结构在不同拉伸倍率的图片；

e. 蜿蜒拉伸结构的耐久性测试；

f. 蜿蜒拉伸结构的弯折性测试；

g. PI拉伸结构网络的面积扩张；

h. PI拉伸结构网络的扭曲图片。

图三：SCMN的多功能传感特性

a. 温度传感器的响应曲线；

b. 温度传感器阵列的空间温度探测成像图；

c. 应变传感器的响应曲线；

d. 应变传感器对不同应变的响应过程；

e. 湿度传感器的响应曲线；

f. 湿度传感器的阵列的空间湿度探测成像图；

g. 紫外光传感器的响应曲线；

h. 紫外光传感器对不同光强的响应过程；

i. 磁传感器的响应曲线；

j. 磁传感器探测由永磁体靠近/离开引起的磁场变化。

图四：压力和接近传感特性以及SCMN探测面积扩张

a. 压力传感器的响应曲线；

b. 压力传感器对微小压力的实时探测；

c. 压力传感器阵列的空间压力探测成像图；

d. 压力和接近探测的耦合过程；

e. 接近传感器的响应曲线；

f. 接近传感器阵列的空间接近探测成像图；

g. SCMN探测面积扩张对比图；

h. SCMN探测面积扩张前后的压力成像图。

图五：SCMN对多种刺激的实时同步监测

a. SCMN对温度、压力和接近等刺激的实时监测；

b. SCMN对磁场、压力和接近等刺激的实时监测。

图六：定制化功能集成的智能假肢

a. 人抓取杯子过程中温度感知的概念图；

b. 智能假肢对杯子的抓取和释放；

c. 压力、温度传感器在假肢手指上的分布示意以及抓取1℃水温杯子时各手指部位的受力情况；

d. 智能假肢在抓取4种不同水温杯子时压力和温度响应曲线；

e. 智能假肢可以依据温度响应情况来判断杯中水温。

【小结】

通过微纳加工技术，制备出了大倍率（8倍及以上，可根据需要设计）的聚酰亚胺（PI）拉伸结构网络，其中包括许多传感器节点和蜿蜒拉伸结构。基于这种拉伸结构网络，多种传感器能够以二维分布式或三维叠层式结构进行多功能化集成，并且多种传感单元可独立工作而不互相影响，利用基底的可拉伸性能实现了电子皮肤的探测面积扩张，并为其进一步的功能扩展提供了极大便利。另外，还将这种电子皮肤用于制造了一种具有定制化功能集成的智能假肢，既赋予了假肢触觉功能，同时使假肢具备了温度感知的能力，这将有利于改善残疾患者的康复及生活条件。多功能集成电子皮肤不仅可以实时同步监测周边环境多种变量，同时还能用于人体健康监测等领域。它将作为一种智能终端，构建新型的“互动网”（Internet of ‘action’, IoA），改变我们与科技的交互方式，让我们的生活因科技变得更美好！

文献链接：Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing (Nat. Commun., 2018, DOI:10.1038/s41467-017-02685-9)

本文由中国科学院北京纳米能源与系统研究所潘曹峰老师提供。

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