摘要：电子皮肤是一种仿生设计，其灵感来源于人体皮肤的结构和功能，旨在模拟和超越自然界的感知和交互能力。它基于先进的材料科学和纳米技术制作，具有高度柔软性和延展性，可以与人体肌肤很好地结合，特别在医疗、健康监测、可穿戴设备领域展现出巨大潜力。
电子皮肤是一种仿生设计，其灵感来源于人体皮肤的结构和功能，旨在模拟和超越自然界的感知和交互能力。它基于先进的材料科学和纳米技术制作，具有高度柔软性和延展性，可以与人体肌肤很好地结合，特别在医疗、健康监测、可穿戴设备领域展现出巨大潜力。
皮肤作为人体最大的器官，不仅能够作为保护我们身体免受外部细菌伤害的物理屏障，也是我们感知周围环境的重要媒介。皮肤具有广泛的超灵敏传感器网络，可以同时对温度、压力、湿度、触觉等刺激进行生物传感。当我们想要直接感知某个物体时，总是习惯地用手指皮肤来触摸该物体表面。基于这些物理接触，皮肤内部的各种感受器产生相应的电信号，并将之传递到中枢神经系统进行更复杂的处理。中枢神经系统可以理解这些电信号并提供适当的反馈。受人类皮肤的启发，电子皮肤——一种由分布在单个均匀表面或堆叠在多个表面上的各种电子传感器组成的人工智能皮肤，随着材料和加工技术的创新应运而生。近年来，电子皮肤逐步展现出包括机械拉伸性、自修复能力和生物降解性在内的多种类皮肤特性，在医疗、健康监测等领域具有广阔的应用前景。
电子皮肤——从科幻到科学
电子皮肤这一概念最早通过科幻小说走入公众视野。1972年，卡迪根(M. Caidin)在小说《赛博格》(Cyborg)中探索了用机械代替人体器官的想法。1980年，在卢卡斯(G. Lucas)执导的电影《星球大战5：帝国反击战》(Star Wars: Episode V—The Empire Strikes Back)中，医疗机器人给主角卢克安装了一只具有触觉感知能力的机械臂。1980年代到1990年代，系列电影《终结者》(The Terminator)中，人形机器人拥有强大的自愈能力……在充满活力的微电子研究背景下，电子皮肤逐渐从科幻小说走向科学现实。
从1980年代到1990年代，研究人员逐渐利用刚性传感器和电路来模拟皮肤的某些功能，但这些早期设备通常缺乏柔性和可拉伸性。2000年以后，柔性电子学的出现为电子皮肤提供了条件。2004年，研究人员利用低分子有机物并五苯分子制造薄膜，率先开发出一种能够感知压力和温度的电子皮肤[1]，标志着电子皮肤研究的一个重要里程碑。2010年以后，随着纳米材料和微加工技术的应用和发展，电子皮肤的灵敏度和分辨率大幅提高，压力、温度、湿度等多种传感器可以被集成到单一的柔性平台上，实现多功能感知。这些进步极大地增强了电子皮肤在健康监测中的应用潜力，使其能够实时、准确地监测人体的多种生理参数。石墨烯、碳纳米管和导电聚合物等材料的引入，使电子皮肤更具柔性、导电性和耐用性。如今，电子皮肤技术飞速发展，正在朝着全面仿真人类皮肤的道路大步前进，我们正逐步迈向一个泛在健康的新时代。所谓泛在健康，指通过高度集成、智能互联的健康监测技术，实现对人体健康状况的全方位、全天候、无缝隙的监测与管理。电子皮肤，凭借其卓越的柔性贴肤能力和多模态传感性能，成为这一愿景实现的关键技术之一。它不仅能够紧密贴合人体表面，无感监测各项生理指标，还能通过智能算法分析数据，为用户提供个性化的健康管理方案，从而推动医疗健康领域向更加精准、便捷、高效的方向发展。
电子皮肤仿生特性的实现
随着科技的不断发展，电子皮肤作为一种新的健康监测器件，其仿生特性的实现显得尤为重要。当前，新型电子材料在可拉伸性、自愈合性等类皮肤特征方面展现出良好的性能，这些特性使得电子皮肤能够模仿生物材料，为健康监测领域带来革命性的变化。
可拉伸性
柔性与可拉伸性是电子皮肤的基本特征之一。在人体运动过程中，肢体与皮肤总是不可避免地产生拉伸等形变，传统的电子材料如硅、金属和氧化物大多都是脆性的，这在一定程度上限制了电子皮肤的实际应用。受到天然皮肤上皱纹和折痕的启发，蛇形、基里加米和马蹄形等结构被应用于可拉伸半导体的制作中[2]。这些几何结构允许材料在拉伸过程中发生一定程度的形变，并且可以释放施加的应变，有效降低施加到材料上的实际应力，使其不易在特定点断裂，从而提高脆性材料的可拉伸性。此外，通过混合弹性基底与纳米微电子材料形成的纳米颗粒、纳米片和纳米线等，现在已经被广泛用作可拉伸导体的填充材料[3]。基于纳米限域效应的聚合物半导体具有更强的链动力和更低的结晶度，以及更优异的拉伸性能[3]。通过结合功能分子砌块来实现动态分子相互作用，也是获得固有可拉伸聚合物的方式之一。聚合物链之间的动态结合可以赋予绝缘聚合物和半导体聚合物拉伸性。实验证实，在应变过程中，非共价动态交联破坏了动态键实现了能量耗散，而应变释放时，动态键又能重新生成，从而增强系统对应变和机械刺激的承受能力[4]。研究人员通过此种方法得到的有机晶体管，其借助弱氢键实现非共价动态交联，大幅降低了其弹性模量，有效提高了材料的拉伸性。自愈合性
人类皮肤能够在损伤后进行自我修复。对于电子皮肤而言，这种自愈能力同样重要。电子皮肤在长期使用过程中总会不可避免地受到一些机械损伤，自愈能力可以赋予电子皮肤像人类皮肤一样的长期稳定性和可靠性。自愈合材料(也被称作自修复材料)的研究主要集中在有机物和聚合物材料领域，自愈合材料主要依靠分子间的相互作用如氢键、金属-配位和静电作用，或者嵌入式的自愈合剂[5]。这种自愈合剂一般包含在微胶囊中。当材料受到机械损伤时，自愈合剂被释放，其中所含的化学物质会引发聚合或者交联，从而实现损伤区域的自愈合。液态金属合金凭借其类似皮肤的柔性与可拉伸性，以及优异的导电性，成为一种新型的自愈合电子材料。2023年，研究人员提出了一种电学自愈合导体的设计[6]。将液态金属胶囊和铜层相耦合，当铜层发生结构性损伤后，微胶囊会立刻破裂并释放到受损位置。该导体具有对微小损伤的高灵敏度和对巨大变形的适应性，可以用于设计耐用的电子皮肤贴片。生物相容性
电子皮肤往往与人类皮肤密切接触，因此要求它们不能使宿主产生负面反应，也就是具有生物相容性。
生物相容性材料可以由多种来源制成，包括天然和半天然材料。例如，纸是一种廉价且轻质的半天然材料，可以将它用作生物相容材料的基底。基于晶体管的传感器具有易于电子电路集成和实时非侵入式监测的优点，在纸上制作的晶体管阵列仍然能在高产率下保持较高的迁移率。此外，真正的天然材料，如多肽、鸡蛋白和核碱基能够被用作有机场效应晶体管的电介质，并且不会对其转移曲线产生影响。
某些合成绝缘材料也可以具有生物相容性。聚二甲基硅氧烷凭借其优异的生物相容性、稳定的介电性能和高度的拉伸性，广泛应用于电子皮肤的基底和介电层。其他合成聚合物，如聚乙二醇和聚乙烯醇也被认为具有生物相容性。
生物降解性
如果电子皮肤能够降解成无害成分，将大大减轻对环境的污染。而电子皮肤的一大应用就是植入式生物医学设备。当其完成预期的治疗、监测任务后，可以自行降解，避免手术移除给患者带来的二次伤害。
2022年，研究人员提出了一种兼具生物降解性和吸收性的微机电系统器件[8]。该器件主要由掺杂多晶硅与氮化硅构成，并以生物可吸收的聚酸酐作为柔性基底。这些组分在水中经过水解会产生硅酸、氢气和氨气这类生物相容性的终产物，不会对人体器官造成不利影响。此外，研究人员还利用水凝胶黏合基质对该系统进行封装，防止其在再分解过程中，由于结构形变而释放的碎片破坏软组织、阻塞血管。该器件在生物植入器件的应用领域展现了巨大潜力。此外，纤维素、丝素蛋白和虫胶等天然材料具有天然的生物降解性，同样也是制作电子皮肤传感器的理想基材。电子皮肤触觉传感器
为了将仿生皮肤技术应用于皮肤附着设备、机器人和假肢中，触觉传感器至关重要。触觉传感器的功能包括探测各种刺激，如压力、应变、温度、弯曲和滑动。为了能够服帖地覆盖不规则形状的曲线表面并承受各种机械应力，触觉传感器同时也必须是柔性可拉伸的。
触觉传感器在理想情况下应该有高灵敏度、宽量程、高线性度、低滞后、快速响应及恢复的特性。这些特性对于实现准确的触觉感知和快速的数据处理至关重要，特别是在医疗监测和仿生技术中。下面将介绍几种典型的触觉传感器最新的研究方向。
应变传感器
应变传感器是一种能够利用电容变化、压阻效应、压电效应、摩擦力等传导原理，将物体因受力产生的微小形变转化为可测量信号的装置。传统的可拉伸应变传感器大多采用聚合物基柔性导电复合材料为基底，通过将无机导电粒子渗入该基底制备得到。但是，电子在这种材料中传导速度较慢，基于聚合物基柔性导电复合材料的应变传感器有一定的滞后性。
近年来，由纳米纤维制成的多孔基底由于其优异的渗透性和机械性能，被广泛应用于制备透气应变传感器。2021年，研究人员在聚对苯二甲酸乙二酯基底上通过静电纺丝技术防止聚氨酯纤维，然后将银纳米线喷涂到纤维上，制备出一种新型的应变传感器[9]。该项工作中引入了一种精细优化的光子烧结工艺，能够提高传感器的耐久性。并且由于该传感器的多孔结构，它显示出优异的皮肤透气性。此外，2022年研究人员还设计了一种基于碳化丝绸织物的透气应变传感器，原始丝绸织物在惰性气氛下热处理碳化后被进一步包装[10]。在这种结构中，经纱和纬纱由扭曲和平行的丝纤维组成。由这种结构制成的应变传感器显示出高灵敏度和出色的灵活性，可用于电子皮肤来实时监测人类活动，例如膝盖运动监测。温度传感器
人类皮肤不仅能感知各类机械刺激，还能通过皮肤下的温度受体感知周围环境的温度变化。这种温度传感器能够在高温环境中提供早期预警，有效预防潜在损害，也是电子皮肤研发中不可或缺的功能之一。目前，电子皮肤领域主要存在4种温度传感器类型：电阻型、电容型、基于晶体管，以及基于PN结的温度传感器。其中，电阻型温度传感器的独特优势使其在电子皮肤应用领域表现尤为突出。首先，电阻型温度传感器的传感元件主要由导电纳米颗粒构成，能够与各种材料或衬底兼容，便于与其他类型的传感器结合以实现多功能的电子皮肤。其次，电阻型温度传感器传感机制简单，更容易实现高精度的温度测量。
电子皮肤的医学应用
对于许多慢性疾病如高血压、糖尿病、脑卒中等，需要对患者进行24小时的持续监测和治疗。如今，电子皮肤可以实时测量脉搏、血压、温度等生理体征。相比于传统笨重的健康监测仪器，电子皮肤系统可以附着在人体皮肤上，能够在不影响日常活动的情况下监测人体健康状态，在远程医疗监护上展现了广阔的应用前景。科学团队在此领域取得了一定的成果。
外周动脉疾病是世界三大常见的心血管疾病之一。目前临床诊断和监测的主要依据是踝肱指数。踝肱指数是通过测量下肢血压推断血氧水平的简单方法，结果具有一定误差，可能会发生误诊，需要搭配CT血管造影矫正结果。这种方法虽然精确，但是较为复杂、昂贵。基于这个问题，2022年有团队使用超薄、超小(厚度3微米，宽度几百微米)的近红外发光二极管和探测器，研制出一款轻薄贴肤、易于穿戴、用于监测混合动静脉血流的多生命体征皮肤光电生物传感器，能够实时监测包括脑氧饱和度、心率、动脉血氧饱和度等多种生命体征[11]。该柔性光电子血氧传感器可用来测量外周动脉疾病患者的下肢氧分压，对外周动脉疾病的临床诊断做出准确评估。用于测量心电和肌电的电子皮肤也是一大热门研究方向。这些电子皮肤可以精确捕捉人体的生物电信号，从而实现对心脏和肌肉活动的实时监测。研究人员还在不断探索将更多功能集成到电子皮肤中，例如监测汗液成分、血糖、皮肤水合状态等。
结语与展望
电子皮肤作为电子器件领域的一大突破，在健康监测领域的应用正逐渐引起人们的广泛关注。这种技术从科幻的想象变为现实，以其独特的仿生特性，预示着健康监测领域即将迎来巨大变革。随着材料科学和加工技术的不断进步，电子皮肤在可拉伸性和自愈合性等方面的仿生特性将越来越接近人类皮肤。随着人工智能和大数据的发展，电子皮肤有望实现更智能、更全面的健康监测，提供个性化的医疗方案，并广泛应用于运动健康管理、疾病预防和康复治疗等领域。通过泛在网的连接，电子皮肤可以实时传输数据到云端，利用人工智能算法进行分析，为用户提供实时反馈和健康建议。未来，电子皮肤将会有更加广阔的应用前景。
参考文献
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编辑：yhc
来源：中科院物理所
