基于柔性電子皮膚的人體健康監測系統的研究與應用

孫會蘋，李朝輝，徐浩森，謝礎航

（山東科技大學電子信息工程學院，青島 266590）

1 引言

皮膚披覆在人體的表層，是直接與外界環境相接觸的組織，可以使人感受外界溫度濕度、物體形狀、肢體接觸等，是人體最大的器官。人體皮膚里有不同種類感受器，這些感受器集成在皮膚里，接收器將物理接觸轉換為電信號傳給大腦進一步處理，反饋的信號最終會被大腦感受層解釋為熱覺、觸覺等不同的感覺，從而人可以體驗到不同的感覺。柔性電子皮膚，即是利用特殊的材料，該材料具有伸縮性、柔韌性等性質，集成大規模傳感器電路。

2003年，日本東京大學的研究成員利用低分子有機物并五苯分子制成薄膜，表面的壓力感受器進行電子皮膚壓力的測量。更進一步，該研究團隊在表層薄膜上新嵌入了溫度感受器，在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器記錄電流起伏[1]，可進行日常溫度及壓力的監測，壓力檢測精度極高。2013年美國科學家研制發明柔性電子皮膚取得成功后，將其應用于機器人，它允許機器人對障礙物實時反應，躲避障礙物。各國科學家也在這一領域努力研究著。2018年，韓國首爾大學研究團隊宣布他們開發出了使用仿真皮電子皮膚系統的軟體機器人，該電子皮膚以硅膠類物質為素材，在5×5cm 的面積中安裝芯片與電路，厚度在1毫米以下，重量也只有0.8g，小巧輕薄且具有強大的伸縮性。將這種超薄電子皮膚應用于醫療測控，可以對人體的脈搏、呼吸及溫度等進行實時監控，通過無線通信反映到移動端上，可以簡單便捷地實現便攜式遠程醫療健康監測系統。

2 柔性電子皮膚基本理論

2.1 柔性電子皮膚常用材料

（1）電子元器件，包括薄膜晶體管和傳感器等。無機材料大多數材質較脆，應用于電子皮膚不易于伸展，通常放置在剛性的微胞元島上然后分布在柔性基底上，有利于保護元器件免于損壞。但薄膜晶體管有較高的延展能力。有機薄膜晶體管（OTFT）具有良好進步性，OTFT 尺寸能做得更小，集成度更高，可以減少操作功率并且提高運算速度。

（2）基底材料，電子皮膚所需要的材料需要較高的伸縮性、輕薄性和透明性，聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）有機硅，價格經濟，使用簡單，與硅片之間具有良好的粘附性，廣泛應用于電子皮膚的制作。PDMS作為高分子有機硅化物，具有光透性，更貼近皮膚性質。其他基底材料還有polyurethane——聚氨酯、electrospun elastomeric fibers——靜電彈性纖維等。

（3）金屬薄膜，微胞元島由交聯導電體相互連接，充當柔性電子皮膚中的電線功能，組成完整電路。

圖1 普通電子皮膚

（4）石墨烯的應用。石墨烯（Graphene），除了σ 鍵與其他碳原子鏈接成六角環的蜂窩式層狀結構外，每個碳原子的垂直于層平面的pz 軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π 鍵（與苯環類似），具有優良的導電和光學性能。當這些原子充當供體或受體時，石墨烯載流子的濃度會改變，而石墨烯本身可以保持良好的導電性[2]。

2.2 常見柔性電子傳感器

要實現電子皮膚，就要采用柔性材料，一般柔性材質不具有導電性，通常采用復合材料和聚合材料來實現。皮膚上的電器元件不僅需要輸入，還需要反饋來實現交互功能。電子皮膚研究的理論基礎是采用不同的傳導方法將外界刺激轉換為電信號，柔性傳感器按照感知機理分類，包含有電阻式、電容式、壓磁式、電感式傳感器。電阻式傳感技術，外界壓力影響導電材料的阻值和復合材料的電路傳導路徑，將電信號大小改變作為衡量標準，來實現壓力檢測。

電容式壓力傳感器主要采用傳統的三層結構[3]，上層、中層和下層。上層復合驅動電極，底層復合感應電極，中間層一般使用超彈材料。平行板電容的表層有力作用，極板面積和距離發生變化，通過電容的變化，達到檢測的目的。，為介質介電電常數，為真空中的絕對介電常數，為電極間相對接觸面積，為極間距。

根據其功能特性，柔性傳感器還可分為柔性溫度傳感器、柔性濕度傳感器以及柔性壓力傳感器等。

3 柔性電子皮膚在人體健康監測中的應用

3.1 清華大學探測人體信號的電子皮膚

清華大學微納電子系任天令教授團隊在納米領域著名期刊《美國化學學會納米》（ACS Nano）上發表了題為《多層石墨烯表皮電子皮膚》的論文。團隊研發出多層石墨烯電子皮膚，創造了濕法剝離氧化石墨烯的新工藝[4]，實現了可定制的石墨烯紋身式電子皮膚。只留存石墨烯，提高器件靈敏度。該器件可以直接貼在皮膚進行探測呼吸、心率、發聲等，對于人體健康監測（如運動睡眠監測）方面有著重大意義。實時監測人體健康，在疾病發生前期及時就醫，可降低醫療成本并且減輕病人疾病嚴重時的生理痛苦，拉動整個國家的醫療進步。

圖2 清華大學新聞網 電子皮膚紋身

3.2 電子皮膚讓假肢擁有感覺

2018年，約翰·霍普金斯大學研究團隊研制出能感知疼痛和觸覺的皮膚——e-dermise。該皮膚由織物和橡膠構成，當觸摸尖銳物體時，橡膠內的傳感器捕獲信號，指尖皮膚會產生電脈沖，刺激到假體周圍的神經，傳遞電信號，重新感知觸覺和疼痛。此種電子皮膚的研發成功，給了殘疾人士重新擁有感覺的機會，對于殘疾人士規避危險具有重要意義。

圖3 約翰·霍普金斯大學——可感知電子皮膚研究成果

4 結束語

柔性電子皮膚對于人體健康實時監測、生物醫療方面，都具有十分重要的意義。它由微電子技術、微傳感器和新材料等組成，技術未趨于成熟。未來電子皮膚會被應用于多個領域，也期待研發出人體不排斥的可移植電子皮膚，為燒傷患者創造福音。