【背景介紹】

皮膚是人體最大的器官，是保護(hù)內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動(dòng)等）刺激。在生活中，人不可避免的會(huì)受到外傷（戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的肢體保護(hù)和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實(shí)意義。電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對(duì)于醫(yī)學(xué)診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關(guān)重要。例如，鮑哲南團(tuán)隊(duì)通過引入微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應(yīng)時(shí)間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點(diǎn)，因此不適合人長(zhǎng)時(shí)間穿戴。同時(shí)，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機(jī)械性能的關(guān)鍵因素。其中Rogers團(tuán)隊(duì)通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基底相結(jié)合，將傳統(tǒng)的脆性材料轉(zhuǎn)化為高度柔韌、可拉伸和高性能的電子皮膚?？梢娡ㄟ^合理地設(shè)計(jì)和集成，電子皮膚是可以實(shí)現(xiàn)甚至超越真實(shí)皮膚的性能。

眾所周知，皮革是從動(dòng)物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料，同時(shí)擁有皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過傳統(tǒng)的皮革工藝，可以使皮革恢復(fù)類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未開發(fā)。盡管Rogers團(tuán)隊(duì)使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅將其作為簡(jiǎn)單的基底處理，而忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點(diǎn)。皮革的多級(jí)結(jié)構(gòu)使其易于擔(dān)載其它材料，具有制備高性能電子皮膚的潛能。通過將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結(jié)合，可以使這一“死了的皮膚”，“起死回生”重新賦予它類似皮膚，甚至超越皮膚的功能。

【成果簡(jiǎn)介】

最近，西北工業(yè)大學(xué)的黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)的霍峰蔚教授和四川大學(xué)的黃鑫教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種簡(jiǎn)單的、可設(shè)計(jì)的皮革電子皮膚。它結(jié)合了皮革天然復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性?；谄じ锏碾娮悠つw可以使“死皮”的皮革重新具有感應(yīng)能力。這種電子皮膚可應(yīng)用于柔性壓力傳感器、顯示器和用戶交互器件等。它為開發(fā)具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了一類新的材料。研究成果以題為“Repurposed Leather with Sensing Capabilities for Multifunctional Electronic Skin”發(fā)布在國(guó)際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

1、基于皮革的電子皮膚具有精細(xì)的多級(jí)結(jié)構(gòu)可以作為擔(dān)載不同種類功能性納米材料的獨(dú)特平臺(tái)。同時(shí)，基于皮革的電子皮膚制造過程簡(jiǎn)單、通用且可放大生產(chǎn)，并且與傳統(tǒng)皮革工業(yè)中的鞣制和染色工藝相匹配。通過合理的設(shè)計(jì)，使皮革具有感知能力為實(shí)現(xiàn)多功能電子皮膚提供了一個(gè)新的平臺(tái)。

圖一、基于皮革的電子皮膚設(shè)計(jì)原理示意圖

2、電子皮膚的主要功能就是在感知外部環(huán)境的刺激后將刺激轉(zhuǎn)換為模擬電子信號(hào)。因此，導(dǎo)電性是基于皮革的電子皮膚的首要條件。

圖二、導(dǎo)電皮革

（a） 導(dǎo)電皮革的制備過程；

（b） 皮革的照片；

（c） 導(dǎo)電皮革的照片；

（d） 皮革的SEM圖像；

（e） 導(dǎo)電皮革的SEM圖像；

（f） 用不同量的酸化碳納米管（a-CNTs）抽濾后，導(dǎo)電皮革具有可調(diào)的導(dǎo)電性以及分別擔(dān)載了0.08, 0.16和0.32 mg/cm² a-CNTs的導(dǎo)電皮革對(duì)應(yīng)的照片；

（g）CNTs、a-CNTs、皮革和導(dǎo)電皮革的拉曼光譜。

3、由于皮革具有多級(jí)結(jié)構(gòu)、多孔性以及豐富的官能團(tuán)（-COOH，-OH等），因此和皮革與a-CNTs之間存在物理和化學(xué)作用，使得a-CNTs在皮革中具有良好的滲透性。同時(shí)該制備策略可以擴(kuò)展到其他納米材料。

圖三、制造策略可以擴(kuò)展到其他納米材料

（a、e）Ag NWs（銀納米線）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（b、f）PEDOT NFs（聚3,4-乙烯二氧噻吩納米纖維）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（c、g）GO（氧化石墨烯）抽濾后的皮革照片和SEM圖像；

（d、h）Au NPs抽濾后的皮革照片和SEM圖像。

4、壓力傳感器的傳感機(jī)制是利用外部負(fù)載力的增大使得叉指電極陣列之間的導(dǎo)電材料增多，在固定電壓下，壓力的變化與電流的變化相對(duì)應(yīng)?；趯?dǎo)電皮革（a-CNTs/皮革），將一片導(dǎo)電皮革和另一片具有叉指電極的皮革縫合，制造了一種柔性且可穿戴的壓力傳感器。此外，由于皮革的與身俱來的可穿戴性和可裁剪性，該器件可被制造成不同的形狀，如表帶。

圖四、基于導(dǎo)電皮革的可穿戴壓力傳感器

（a）柔性壓力傳感器的制造過程示意圖；

（b）表帶形狀的壓力傳感器的照片；

（c）a-CNTs/皮革橫截面的SEM圖像；

（d）在不同壓力下的a-CNTs /皮革的示意圖；

（e）a-CNTs /皮革對(duì)不同壓力的反應(yīng)；

（f、g）在不同放大倍數(shù)下a-CNTs /皮革的表面形態(tài)的SEM圖像；

（h、i）在不同放大倍數(shù)下a-CNTs /皮革的橫截面的SEM圖像；

（j）該壓力傳感器測(cè)試的正常情況下的脈搏測(cè)試圖；

（k）傳感機(jī)制：電流與加載壓力之間的變化關(guān)系。

5、將皮革獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)與納米材料的優(yōu)異性能相結(jié)合制備的a-CNTs /皮革電子皮膚不僅可以測(cè)量不同的壓力，還可以用于持續(xù)監(jiān)測(cè)人的手腕脈搏。這表明通過合理的設(shè)計(jì)，基于皮革的電子皮膚是可以重新具有感知能力。同時(shí)導(dǎo)電皮革可被用作顯示器件的背電極，將顯著的促進(jìn)信息的可視化，有利于改善人們的交流溝通和生活方式。

圖五、基于皮革的顯示器和用戶交互式電子皮膚提供即時(shí)的視覺響應(yīng)

（a） 基于皮革的顯示器件的結(jié)構(gòu)；

（b、 c）分別在斷電和通電情況下的皮革顯示器件的照片；

（d-f）通過調(diào)節(jié)施加力從輕觸到重按，顯示器件的亮度同步增加；

（g） 基于皮革的用戶交互式電子皮膚的結(jié)構(gòu)。

【總結(jié)】

文中展示了利用皮革的多級(jí)結(jié)構(gòu)、可穿戴性、可加工性以及納米材料的多功能性，可實(shí)現(xiàn)特定的功能以及器件的集成，如可穿戴的高靈敏度壓力傳感器用于人體脈搏監(jiān)測(cè)；顯示與傳感器的集成實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能等。同時(shí)，該電子皮膚的制備過程簡(jiǎn)單、通用且可與傳統(tǒng)的皮革工藝相結(jié)合，從而有利于低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。這種基于皮革的電子皮膚通過將傳統(tǒng)皮革工業(yè)與新興納米材料相結(jié)合，提高皮革附加值的同時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)也將有利于新的柔性電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，并有助于釋放多功能電子皮膚（智能機(jī)器人、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等）的潛力。