新型電子皮膚實現各尺度人體活動檢測

■傅昭儀

當今社會，可穿戴智能設備已經普及開來，智能眼鏡、智能手表、智能腕帶等已經被大眾所熟知。電子皮膚是一種與人體皮膚具有相容性的電子設備，它可以“穿”在身上，模仿人類皮膚感知功能，感受外界刺激，并且把這些刺激轉化成不同的輸出信號。電子皮膚被認為是實現無創人機交互和可穿戴設備的理想電子設備，在智慧醫療領域能發揮很大的作用。

電子皮膚主要是由三部分元件構成：傳感器、信號轉換與傳輸電路、具有特殊蛋白的神經細胞。理想的柔性電子皮膚應該是其所有組成部件具有可拉伸性、透明性且高度集成，有獨立穩定可靠的能源供應組件以及無線信息傳輸功能。

傳統電子皮膚通常依靠笨重的剛性電池或能量收集裝置來運行，前者機械剛性大、重量大、體積大，后者受位置、機體或環境機械活動水平等特殊條件的限制，不能提供持續穩定的能源供給。此外，除了傳感部分外，傳統電子皮膚大多組件都是剛性的，極大地影響了美感、舒適性和安全性，也對信號采集產生了不利影響。且目前大多數電子皮膚多為不透明或部分透明，這主要是受限于結構設計、材料選擇和滲流理論。因此，迫切需要開發和構建一款輕薄、柔軟、高透明度和高穩定性的一體化自供電透明電子皮膚。

近日，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊在電子皮膚領域取得新突破。團隊提出了一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚，改變了先前穿戴不方便、不美觀的缺點。

蘭偉教授介紹，該系統由透明超級電容器、可拉伸透明應變傳感器和蛇形電阻組成。由一維銀納米線和二維MXene 納米片構建的“島橋結構”應變傳感器具有極高的靈敏度，超級電容器作為“隱身”電源可為一體式電子皮膚系統進行供電。

該系統實現了透明超級電容器、可拉伸透明應變傳感器和蛇形電阻的單片集成，在不犧牲透光率的前提下大幅度提升了器件的電化學儲能特性。更重要的是實現了對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大范圍肢體運動在內的多尺度人體活動的檢測。其中多個相關技術已獲得中國發明專利授權。

未來，團隊將通過材料復合、結構設計、封裝策略等途徑實現壓力、溫度、濕度等多維感知功能集成，使制成的電子皮膚接近真實皮膚。團隊還將進一步提升柔性電池和超級電容器的能量密度，并探索與其他能量供應方式集成，以滿足電子皮膚的持續不間斷供電。

電子皮膚是未來可穿戴電子設備的核心，在醫療健康領域具有廣闊的應用前景。如醫生佩戴電子皮膚可以使手術機器人獲取實時信息讓手術更精準；可以將電子皮膚像創可貼一樣貼在人體的皮膚上追蹤并實時監測人體的肌肉運動，測量血壓、心率大腦活動等健康數據，并給予醫療幫助；未來還可能利用電子皮膚在義肢上進行技術的革新，讓失去觸覺的人可以重新觸摸這個世界，為數百萬患者帶來肢體“再生”的希望。