专访《Prog. Mater. Sci.》张晟：材料科学与工程对表皮传感器的研究进展

【文章导读】

在过去的几十年中，可穿戴传感器因其可广泛应用于健身、医疗保健、人体运动和环境监测领域而备受关注，尤其是在COVID-19 大流行期间。经过一些重大突破后，表皮传感器，即用于感知信号的表皮电子器件，变得越来越流行，因为表皮传感器的厚度、面积质量密度、弯曲刚度和有效弹性模量可以与人类表皮相匹配。无线电源单元、传感器、电子电路和通信组件组合在一起形成超薄、轻质、可拉伸和低模量的薄膜。因此，表皮传感器表现出大量突出的特性，即无线、轻便、灵活、与人体皮肤兼容，并且一些表皮传感器可能是透明的。

由于表皮传感器的显着特性，迄今为止，它们已被广泛应用于众多领域。表皮传感器最初被开发用于监测电生理信号，随后是皮肤温度、汗液和运动障碍。除了来自人体的信号外，表皮传感器还可以检测来自环境的数据，例如气体信号，因此可用于监测气体。存在各种形成表皮传感器的纳米材料，包括一维(1D)纳米材料，如纳米管、纳米线、纳米带等，不同种类的纳米片由于其突出的特性而成为二维 (2D) 纳米材料。此外，一些水凝胶和聚合物薄膜也是有前途的表皮传感器基础材料。

近期，浙江大学张晟特聘教授，博士生刘辰，宁波诺丁汉大学孙煦教授和日本九州大学黄文敬特任助理教授在Progress in Materials Science期刊上发表了一篇综述论述了表皮传感器的研究进展：

在这篇综述中，讨论了应用于表皮传感器的最新材料，如一维(1D)纳米材料、二维(2D)纳米片、聚合物薄膜和水凝胶，并将实际应用分为三个子主题:表皮传感器在健康监测方面的应用，并且讨论了表皮传感器在运动监测和气体监测方面的应用前景。文章第一作者为浙江大学宁波研究院张晟特聘教授。此次我们特别邀请到了文章的第一作者张教授针对这篇工作进行专访。

张老师首先和我们分享了表皮传感器在大家日常生活中那些可以预见的应用，以及这项技术未来会对人类社会的发展做出的贡献：

“表皮传感器因为其超薄，超轻的特质，并且其厚度面质量密度、弯曲刚度和有效弹性模量等力学性质与人体皮肤相似，是可穿戴传感器的发展的最重要的方向。也正因为这些优点，未来通过一个纹身样的表皮传感器，就可以实现对人体各种生理指标进行实时监测，例如体温、心跳、血糖、尿酸等，来实时监测人体健康。并且这些指标可以实时上传云端并提供给医院，当一些重要指标有异常时，医务工作者可以快速响应给使用者提出建议或者提醒使用者到医院就诊。可以预见到以表皮传感器作为检测基础实现万物互联（Internet of Things），可以极大地提高个人疾病防控能力，减少医院的就诊压力，解决看病难的问题，因此极大地有利于整个国家乃至世界的医疗系统，提升平均寿命。表皮气体传感器可以实时监测周围的空气，为一些在极端的工作条件（例如矿井、火灾现场）下工作的人员提供更多的保障。除此之外，表皮传感器是制作电子皮肤的基础，拥有感知周围温度、压力、湿度等指标以及触觉的电子皮肤可以用来制作假肢，为残疾人提供了现在假肢提供不了的触觉等感觉，提升残疾人的生活质量。以表皮传感器为基础的电子皮肤还可用于制造机器人，使未来的机器人也拥有感知周围信息的能力，从而代替人力去做一些危险的行业。”

【论文掠影】

图 1表皮传感器的多层结构。

图2 (i) (a) 混合基材在平坦、混合和折叠的不同状态下的照片。(bd) 以下实验证明了表皮温度传感器的高灵敏度、快速响应时间和显着的循环稳定性。

(ii) 剪纸传感装置的结构： (a) 剪纸电子传感装置的结构分布和架构，由一个温度传感器和两个对称光电传感器组成的三明治结构组成。(b) 设备被粘在一块胶带上，图中显示了它的弯曲能力。(c) 电子传感装置与人工肺表面的连接。

(iii) (a) 多功能表皮传感器的多层结构。（b）多功能表皮传感器在（i）弯曲和（ii）拉伸状态下的光学图像。

(iv) 显示15 wt% PP/LIG 基和裸LIG基ECG干电极在水中摩擦下的附着力测试的照片。(a) 15 wt% PP/LIG ECG 电极的初始状态，(b) 裸LIG电极在硬摩擦后浸泡在水中，(c) 15 wt% PP/LIG电极在硬摩擦后浸泡在水中，(d) 指尖在 2 天后应用15 wt% PP/LIG基干电极，（e）在干电极下应用2天后的皮肤。

图3  (i) 示意图显示了表皮贴片、ISF提取机制和葡萄糖检测机制，以及ISF葡萄糖水平与血糖浓度之间的巨大相关性。

(ii) 说明传感器结构和传感机制的示意图。

(iii) (a)显示离子电渗可打印电极的示意图。(b)表皮纤维素/b-CD/GOx NFs葡萄糖传感器的离子电渗机制示意图。

(iv) 显示 Eox-SWCNT/PET 薄膜电极结构的示意图。

而对于传感器供电的问题，张老师同样给我们分享了他的宝贵经验：

“供电问题确实是传感器实际应用过程中的一个问题，现存的大多数传感器其实都是外部供电，自发电的传感器也是现如今研究的一个重点，例如您提到的生物电，包括一些利用汗液中的葡萄糖等物质来发电、摩擦生电等一些技术。但是这些技术现在也大多都只停留在实验室阶段。因为这些生物电产生的电能比较小，且无法实现连续不断地产生电，还不够稳定。也有些文章通过红外、蓝牙等一些信号向传感器供电，同样也面临着电能不足和不够稳定的问题。所以供电和电池问题也是妨碍可穿戴传感器整体小型化的一个重要因素。但我相信经过科学家的不断努力，这一问题最终会被解决，最终实现一个纹身状的贴附在身体上的多功能传感器来监测人体健康。”

图4 (i) (a) 附在受试者手腕上的表皮多路汗液传感器的照片。(b) 示意图显示了基于v-AuNWs的电极，其中包含K ⁺、 Na ⁺和pH工作电极和参考电极。表皮电位纹身传感器的逐层构建。

(ii) (a)显示基于微针的表皮贴片的示意图。(b)在裸露的微针上分布的不同涂层。(c)示意图显示插入人体皮肤的基于微针的表皮贴片。

(iii) (a)花纹身由丝网印刷绝缘体、碳、Ag/AgCl 层和纹身纸组成。(b) NH 4选择性和基于PVB的参考膜沉积在电极区域上。

图5 (i) (a) 显示整个表皮传感器系统的方框示意图；(B) 表皮传感器系统的原型和布局。

(ii) (a) 示意图显示了表皮传感器的 pH 检测机制。(b) 说明制造过程的示意图、应用微流控芯片制造的典型载珠海藻酸盐纤维和 pH 响应载珠水凝胶微纤维的代表性图像。

图6 (i) (a) 位于受试者喉咙上的表皮传感器的光学图像。比例尺为 3 厘米。(b) 显示实验设置的照片。(c) 实验过程的照片。

(ii) 人手和蝴蝶上的电子皮肤光学图像。

(iii) PDA 还原和功能化氧化石墨烯(PDA-rGO)的合成。

(iv) 显示MXene纳米片合成过程的示意图。

图7 (i) 可穿戴、瞬时和可修复的表皮传感器的制造；(a) PVA-LMPs 水凝胶的形成；(b) PVA-LMPs 水凝胶的可逆自愈过程。

(ii) (ab)显示立方 PVA/PDA 水凝胶在坐 1 分钟前后的照片。(cd) PVA/PDA 水凝胶呈“S”形和星形的照片。(e-h) PVA/PDA 水凝胶的数码照片附着在前臂皮肤上。

人体皮肤表面存在大量毛孔。如果穿戴PVA/PDA水凝胶，日常使用中分泌的汗液，油脂等是否会减弱其吸附力度或者显示精度而影响使用呢？对此，张老师回答道：

“这些肯定会对吸附力显示精度有一定的影响，但科学家也在尝试各种办法减轻这个问题。例如采用一些超疏水的基底材料来制作传感器，从而增加其对人体的粘附性能。此外，科学家也使用一些折纸、剪纸结构来对传感器的结构进行改造，从而提升传感器的可拉伸能力，也会减少传感器对人体皮肤的覆盖面积，从而一定程度上解决这些问题。不同论文中，表皮传感器的使用寿命不同，但大部分传感器在进行抗拉性能测试时表现良好，在经历几千到一万次的反复拉伸、放松后仍能保持很高的准确性与精度，一些对于基底材料的改造（超疏水、折纸剪纸结构）可以进一步提升其使用寿命。”

图8 (i) (a) 显示无线连接表皮气体传感器的示意图。(b) 表皮传感器的灵活性和一致性。(c) 用绷带与埋在地下的柔性 PCB 进行电气连接。(d) 基于云的系统示意图。

(ii) 照片显示 (a) 在基板上具有四个传感单元的表皮传感平台，(b) 安装在手腕上的表皮传感器，以及 (c) 在人手腕上的表皮传感器的变形能力，以及 (d)处于弯曲状态。

(iii) SnS₂纳米片的水热合成过程和表皮气体装置的后续构建过程示意图。

图9 (i) 示意图显示了基于 TiO₂ @2D-TiC 纳米片的柔性气体传感器的构建过程。(a) PET基材的清洗工艺和 (b) 在清洗过的 PET 上构建 TiO 2 @2D-TiC 涂层 IDA 电极。

(ii) (a) 电子皮肤的构建程序。(b) 用于监测不同气体的电子皮肤的测试设计，分别包括 RH、乙醇、H₂S 和 CH₄。(c) 在矿工身上安装电子皮肤，以监测采矿环境。

【前景展望】

未来，将开发更多具有更好机械和传感性能的新型材料用于表皮传感器。这些材料包括零维 (0D)、一维 (1D)、二维 (2D) 和三维 (3D) 纳米材料，例如 0D 纳米颗粒、1D 微管和纳米管、2D 纳米片以及由上述0D、1D以及2D和纳米材料。随着制造技术的发展，表皮传感器的厚度和其他特性，包括面质量密度、弯曲刚度和有效弹性模量，将更加匹配甚至优于人体表皮。此外，到目前为止，表皮传感器的数据传输和数据分析模块要大得多，并且总是需要电线来连接传感器。只有检测模块才能被命名为“表皮传感器”，所有这些电线和其他模块都会给用户带来很多不便和不适。未来，表皮设备的所有模块，包括传感器本身、数据传输模块、数据分析模块、天线等，都将集成在一起，整个设备可以像人体表皮一样薄，被称为“表皮设备”。

此外，许多其他物理和生化参数，例如脑电波和肾上腺素，将由表皮传感器监测，以便诊断和警告更多疾病。而面向健康监测的表皮传感器将是多功能的，可以通过传感器监测大量的物理和生化参数。用于人体运动监测的表皮传感器将感知更复杂和更重要的人类活动，信号传输将更加先进。从而实现对人体运动的远距离监测和传输到移动设备，实现对人工智能的一些远距离模拟人体运动的指令。可以监测各种环境中的更多气体，表皮气体传感器将具备通过传感器检测多种气体的能力，从而检测环境中的各种有毒气体或快速获取混合气体的成分。因此，在未来，通过佩戴厚度与人类表皮相匹配的表皮设备，或者只是皮肤上类似纹身的设备，环境中所有重要的生物标志物、运动参数和有毒气体都可以实时检测到的数据可以传输到云库，以便临床机构可以监测用户的健康状况，并及时做出一些警报和治疗建议。

最后，表皮传感器这项技术想要实现产业化，还有一些亟待解决的问题，谈到对这个问题的看法以及未来工作的开展方向时，张老师说到：

“其实您上面提的问题一部分也是表皮传感器实现产业化过程中遇到的问题，例如电池和供电问题、使用寿命等。除此之外，由于现如今制作的表皮传感器为了满足其厚度、力学性能、传感能力等特征，多使用的材料为纳米材料，尤其以纳米薄片（nanosheet）最多，而且为了提高整个传感器内部的导电能力，还多使用金、银、铂等价格高的金属作为导电材料，因此表皮传感器的制作成本及维护成本也是阻碍表皮传感器从实验室走向产业化的亟待解决的问题。可拉伸性能也是阻碍表皮传感器进入实际应用的问题之一，尤其是在一些会产生较大形变的关节处（例如胳膊肘，膝盖等部位）和一些表面形貌复杂的器官（例如一些新研发的表皮传感器想要附着于人类大脑），急需提升表皮传感器的可拉伸、可变形能力。之后我们的工作也也会重点针对这一方向来改善表皮传感器的性能，例如使用一些剪纸、折纸结构来提高传感器的可拉伸变形性能，此外，一些特殊的结构例如希尔伯特曲线等也会被应用到对传感器结构的改变上。研究超疏水的基底材料也是我们未来研究的方向之一。”

【课题组介绍】

张晟特聘教授是生物检测及医工结合领域的年轻科学家。2016年毕业于荷兰特文特大学，先后在美国哈佛医学院，日本东海大学，实验室，日本东京大学，清华大学工作，后于2020年加入浙江大学宁波科创中心、机械工程学院任特聘教授/研究员/博导。2021年甬江人才项目创新个人获得者，中国国家外专A类科学家。研究方向主要为：生物检测，智能皮肤，可穿戴设备及医工结合等交叉领域，在张晟教授的职业生涯中，共发表了超过50篇学术论文，总影响因子232.736，并担任多个国际期刊的客座编辑。

本文由春国供稿。