全球柔性电子皮肤进展梳理 它离真正的人体皮肤还有多远？

皮肤是人体最大的器官，在人类与外部环境的交互中起着重要作用。电子皮肤最初出现在大众的视野中是科幻作品，比如《星球大战》的假手和《终结者》中的机器人。使用电子设备重建皮肤的特性在医疗、机器人、人造假肢、可穿戴设备等诸多领域，都有着很好的应用前景。尤其是能够无缝粘附到人体皮肤或体内的电子皮肤，对于诸如健康监测¹，医学治疗²，医疗植入物³和生物学研究⁴，和人机界面的技术及软机器人和增强现实⁵等方面意义巨大。本文从柔性电子皮肤的基本原理、发展现状以及简单的展望三个方面对该领域进行阐述，希望读者能通过本文对该领域有一个基础的了解。

一、电子皮肤的理论基础

人体皮肤上的电子器件通常包括但不限于两种类型的组件：用于人类交互的输入/输出设备（输入可以是例如传感器元件；输出可以是显示器），以及用于人体交互的电子电路。采用不同的传导方法将外部的刺激转化为电信号是电子皮肤研究的基本理论基础. 常见的方法有电阻式、电容式和压电式传感技术.

电阻式压觉传感器主要是通过所加载的力来改变导电材料之间的接触电阻和导电复合材料中的电路传导路径来达到检测力的目的，柔性的电阻式传感器单元通常选用硅橡胶以及柔性聚合物材料等作为柔性基体。电容式压力传感器主要采用传统的三层结构, 上层、中间层和下层。上层复合驱动电极, 底层复合感应电极，中间层一般使用超弹材料。当在平行板电容的表层加载力时, 会引起感应电极和驱动电极之间的极板面积和距离发生变化, 通过电容的变化, 达到检测的目的。压电式传感器是基于正压电效应的传感器. 正压电效应指的是: 当晶体受到某个固定方向的外力作用时, 在晶体的内部就会产生电极化现象, 晶体的两侧产生相反电荷。压电式传感器是一种机电转换式和自发电式传感器.

另外，电子皮肤的发展还得益于功能材料的发展、传感器的结构设计以及新型技术的应用。新型的技术主要有电路集成技术、无线技术和自供电技术等。从材料和结构入手, 也可以大大提高传感器的性能。

二、柔性电子皮肤的发展

1.健康监测领域

John A. Rogers等人实现了厚度、有效弹性模量、弯曲刚度和与表皮相匹配的电子系统类别。与传统的基于晶片的技术不同，将这些装置层压到皮肤上，能够完全保持装置形状并具有良好的应变性能。该系统包含电生理，温度和应变传感器，以及晶体管，发光二极管，光电探测器，射频电感器，电容器，振荡器和整流二极管等功能部件。使用这种技术可以成功测量心脏，大脑和骨骼肌产生的电活动¹。

图1. 具有与表皮相匹配的物理特性的多功能电子设备的演示平台。

图2. 柔性电子皮肤出色的粘附和保形能力（动图）。

2.生物医学领域

Dae-Hyeong Kim等人研发了多功能可穿戴皮肤系统。这种系统的代表性实例包括生理传感器，非易失性存储器和药物释放致动器。电子，机械，传热和药物扩散特性的定量分析验证了各个组件的运行，从而实现了系统级的多功能电子皮肤²。

图3. 贴片的可穿戴阵列。

John A. Rogers等人报告了用于大脑植入的多功能类皮肤传感器，所有组成材料通过水解和/或代谢作用自然地吸收其中，无需提取。该系统能够持续监测颅内压和温度，对治疗创伤性脑损伤具有重要潜在应用³。

图4. 健康，自由移动的老鼠配备完整的，可生物降解的无线颅内传感器系统。

George G. Malliaras等人研发了超薄有机薄膜中的有机电化学晶体管组成的电子皮肤，该薄膜旨在记录大脑表面的电生理信号。利用该装置在体内对癫痫样放电进行测试，与表面电极相比，由于局部放大而显示出优异的信噪比，为医疗应用带来了巨大的希望⁴。

图5. 置于躯体感觉皮层上的ECG探针的光学显微照片，其中开颅区由虚线包围。比例尺：1毫米。

3.人造皮肤

王中林等人开发了一个高度可伸缩和舒适的矩阵网络，成功扩展了电子皮肤的感应功能，包括但不限于温度，面内应变，湿度，光，磁场，压力和接近度。该人造皮肤在人形机器人，新假肢，人机界面和健康监测技术方面具有广泛的应用⁶。

图6. 皮肤灵感高度可伸缩和舒适的矩阵网络。

图7 人造皮肤对人手的控制（动图）。

目前，电子皮肤的功能受限，主要是因为在电路和设备保持柔性的同时，只能实现相对简单的功能单元集成，进而只能实现基本的类皮肤功能。对于电子皮肤的进一步需求是实现真正的高级功能性电子皮肤，这依赖于由集成的晶体管组成的可拉伸电路⁷。

鲍哲南等人展示了一种可拉伸的聚合物晶体管阵列，具有前所未有的设备密度，每平方厘米347个晶体管。这些晶体管具有与非晶硅相当的平均电荷载流子迁移率，当经受1000％的应变1000次循环时，仅略微变化（在一个数量级内），没有电流-电压滞后。此工艺为合并其他可​​拉伸的聚合物材料提供了一个通用平台。

图8. 可拉伸晶体管阵列的三维图，作为皮肤电子学的核心构件。

三、柔性电子皮肤的未来

对人造皮肤的追求激发了材料的创新，包括机械耐久性和拉伸性，生物降解性。简单说，电子皮肤是由轻薄、可弯曲、可拉伸、有弹性的材料制成的柔性电子器件，是传感器技术、微机电技术、新材料技术等多项技术相互融合的成果。未来，随着工程技术的发展，电子皮肤将实现更加真实复杂的多尺度功能感知，并有可能进一步增强甚至扩充人类感官能力，例如触觉、嗅觉以及味觉等的增强，对磁场、电场以及辐射等的感觉扩充。

参考文献

1 Kim, D. H. Epidermal electronics (vol 333, pg 838, 2011). Science 333, 1703-1703 (2011).

2 Son, D. et al. Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders. Nature nanotechnology 9, 397-404, doi:10.1038/nnano.2014.38 (2014).

3 Kang, S. K. et al. Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain. Nature 530, 71-76, doi:10.1038/nature16492 (2016).

4 Khodagholy, D. et al. In vivo recordings of brain activity using organic transistors. Nature communications 4, 1575, doi:10.1038/ncomms2573 (2013).

5 Rus, D. & Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature 521, 467-475, doi:10.1038/nature14543 (2015).

6 Hua, Q. et al. Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing. Nature communications 9, 244, doi:10.1038/s41467-017-02685-9 (2018).

7 Wang, S. et al. Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature 555, 83-88, doi:10.1038/nature25494 (2018).

本文由材料人专栏科技顾问张博士供稿。

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