電子皮膚
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-11-30
電子皮膚的實(shí)例教程
皮膚是人體最大的器官，在人類與外部環(huán)境的交互中起著重要作用。電子皮膚最初出現(xiàn)在大眾的視野中是科幻作品，比如《星球大戰(zhàn)》的假手和《終結(jié)者》中的機(jī)器人。使用電子設(shè)備重建皮膚的特性在醫(yī)療、機(jī)器人、人造假肢、可穿戴設(shè)備等諸多領(lǐng)域，都有著很好的應(yīng)用前景。尤其是能夠無縫粘附到人體皮膚或體內(nèi)的電子皮膚，對(duì)于諸如健康監(jiān)測(cè)[1]，醫(yī)學(xué)治療[2]，醫(yī)療植入物[3]和生物學(xué)研究[4]，和人機(jī)界面的技術(shù)及軟機(jī)器人和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)[5]等方面意義巨大。本文從柔性電子皮膚的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及簡單的展望三個(gè)方面對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行闡述，希望讀者能通過本文對(duì)該領(lǐng)域有一個(gè)基礎(chǔ)的了解。
一、電子皮膚的理論基礎(chǔ)
人體皮膚上的電子器件通常包括但不限于兩種類型的組件：用于人類交互的輸入/輸出設(shè)備（輸入可以是例如傳感器元件；輸出可以是顯示器），以及用于人體交互的電子電路。采用不同的傳導(dǎo)方法將外部的刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)是電子皮膚研究的基本理論基礎(chǔ). 常見的方法有電阻式、電容式和壓電式傳感技術(shù).
電阻式壓覺傳感器主要是通過所加載的力來改變導(dǎo)電材料之間的接觸電阻和導(dǎo)電復(fù)合材料中的電路傳導(dǎo)路徑來達(dá)到檢測(cè)力的目的，柔性的電阻式傳感器單元通常選用硅橡膠以及柔性聚合物材料等作為柔性基體。電容式壓力傳感器主要采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu), 上層、中間層和下層。上層復(fù)合驅(qū)動(dòng)電極, 底層復(fù)合感應(yīng)電極，中間層一般使用超彈材料。當(dāng)在平行板電容的表層加載力時(shí), 會(huì)引起感應(yīng)電極和驅(qū)動(dòng)電極之間的極板面積和距離發(fā)生變化, 通過電容的變化, 達(dá)到檢測(cè)的目的。壓電式傳感器是基于正壓電效應(yīng)的傳感器.
展開 【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、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。可見通過合理地設(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)道了一種簡單的、可設(shè)計(jì)的皮革電子皮膚。
展開 【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、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的保護(hù)免受傷害和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實(shí)意義。而電子皮膚是一種模仿的人體皮膚功能的人工皮膚。在人工智能研究領(lǐng)域中，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)診斷和仿生假肢都至關(guān)最要。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短的響應(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質(zhì)相結(jié)合，將傳統(tǒng)的脆性材料轉(zhuǎn)化為高度柔韌、可拉伸和可表現(xiàn)的電子皮膚?？梢姾侠淼丶刹煌δ艿?em>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)。雖然傳統(tǒng)皮革的感知能力處于剝離狀態(tài)，但是可以恢復(fù)真皮的重要功能——敏感性。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，但他們僅是將其作為簡單的基材處理，而忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點(diǎn)。由于皮革的層次結(jié)構(gòu)使其易于裝載其他材料，所有皮革是作為制造高性能電子皮膚的潛在候選者。通過將不同的功能材料與皮革相結(jié)合制造出的新皮革，讓“死皮”重新被利用甚至超越真皮。
【成果簡介】
最近，南京工業(yè)大學(xué)的黃維院士、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)道了一種簡單的、可設(shè)計(jì)的皮革電子皮膚。
展開 導(dǎo)讀
近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的科研人員開發(fā)出一種導(dǎo)電的水凝膠，它使得電子皮膚的拉伸能力、自愈能力和應(yīng)變靈敏度，達(dá)到了新的極限。
背景
電子皮膚（Electronic skin），是時(shí)下非常熱門的前沿科技領(lǐng)域之一。簡單說，電子皮膚是由輕薄、可彎曲、可拉伸、有彈性的材料制成的柔性電子器件，是傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、新材料技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)相互融合的成果。
電子皮膚可以模仿人類皮膚保護(hù)、感知、自愈等功能，在醫(yī)療、機(jī)器人、人造假肢、可穿戴設(shè)備等諸多領(lǐng)域，都有著很好的應(yīng)用前景。
例如，它可以非常便捷地貼合于人體皮膚表面，感知人體生理信號(hào)（血氧濃度、血液中的酒精濃度等）以及外界環(huán)境刺激（壓力、溫度等）。此外，它還可以做成幫助傷口愈合的生物可降解貼片、可穿戴電子設(shè)備、對(duì)于觸摸敏感的機(jī)器人裝置等等。
之前，筆者介紹過許多有關(guān)電子皮膚的科研創(chuàng)新案例，今天從中精心挑選出三個(gè)經(jīng)典的案例，使大家對(duì)于電子皮膚有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)和初步的了解。
1）美國科羅拉多大學(xué)波爾得分校研究人員開發(fā)出一種新型“電子皮膚”，它具有延展性，可自我修復(fù)，可完全回收。
（圖片來源：Jianliang Xiao / 科羅拉多大學(xué)波爾得分校）
2）美國斯坦福大學(xué)研究人員開發(fā)出的電子皮膚，讓人造假肢和機(jī)器人具有觸覺感知能力。
（圖片來源：斯坦福大學(xué)）
3）中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員研制出一種帶有毛發(fā)的電子皮膚，它可以捕捉到最輕微的風(fēng)。
（圖片來源：美國化學(xué)會(huì)）
創(chuàng)新
今天，讓我們?cè)賮黻P(guān)注一項(xiàng)有關(guān)電子皮膚的科研創(chuàng)新成果。近日，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的科研人員開發(fā)出一種導(dǎo)電的水凝膠，它使得電子皮膚的拉伸能力、自愈能力和應(yīng)變靈敏度，達(dá)到了新的極限。
展開 人體皮膚是活躍、敏感和高彈性的感覺器官，承擔(dān)著保護(hù)身體、排汗、溫度調(diào)節(jié)、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統(tǒng)能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器，將外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，經(jīng)過神經(jīng)通路傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能?；?em>皮膚這種多功能生物模型，科學(xué)家們開展了一門新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)（俗稱“電子皮膚”，Electronic skin, E-skin），用來模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。
目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測(cè)壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環(huán)境中的各種物理、化學(xué)、生物等信號(hào)，將有助于開發(fā)新型人機(jī)接口、智能機(jī)器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)。此外，電子皮膚的重要發(fā)展趨勢(shì)是多功能化與多重刺激同步監(jiān)測(cè)。
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導(dǎo)下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴(kuò)展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測(cè)能力擴(kuò)展到7種，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、紫外光、磁、應(yīng)變、壓力和接近等多種外界刺激的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)。
研究人員通過微納加工技術(shù)，制備出大倍率（8倍及以上，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)）的聚酰亞胺（PI）拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中包括眾多傳感器節(jié)點(diǎn)和蜿蜒拉伸結(jié)構(gòu)?；谶@種拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結(jié)構(gòu)進(jìn)行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨(dú)立工作而不互相影響。
利用基底的可拉伸性能，可實(shí)現(xiàn)電子皮膚的探測(cè)面積擴(kuò)張，為其進(jìn)一步的功能擴(kuò)展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。
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電子皮膚的最新內(nèi)容
周愛軍在演講中指出，隨著電子紙顯示技術(shù)向彩色、大尺寸、柔性方向不斷創(chuàng)新，早已不再局限于傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，已廣泛滲透到展示展覽、藝術(shù)裝飾、商超廣告、城市導(dǎo)視系統(tǒng)、電子皮膚、汽車裝備、建筑裝飾、可穿戴產(chǎn)品及AR等領(lǐng)域。周愛軍強(qiáng)調(diào)，實(shí)現(xiàn)電子紙顯示技術(shù)為智慧未來賦能，重構(gòu)萬物互聯(lián)世界的綠色環(huán)境、智慧顯示模式，是DKE及電子紙產(chǎn)業(yè)眾多同仁們的前行目標(biāo)。
β射線是電子流，照射皮膚后燒傷明顯。這兩種射線的穿透力較小，影響距離比較近，只要輻射源不進(jìn)入體內(nèi)，影響不會(huì)太大。γ射線的穿透力很強(qiáng)，是一種波長很短的電磁波。
我們應(yīng)該如何看待核輻射？
核輻射既能造福人類，也能危害人類生活。在利用核能的同時(shí)，我們必須加強(qiáng)輻射環(huán)境檢測(cè)監(jiān)控。為了保護(hù)公眾和環(huán)境，提高輻射事故的應(yīng)急響應(yīng)能力至關(guān)重要。探索更先進(jìn)的技術(shù)，完善核輻射探測(cè)儀器將變得極其重要。
圖3 用于皮膚電子設(shè)備中導(dǎo)電互連的被動(dòng)冷卻。
圖4 可拉伸射頻無線皮膚電子產(chǎn)品的被動(dòng)冷卻。
圖5 被動(dòng)冷卻增強(qiáng)皮膚電子設(shè)備中的連續(xù)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。
利用自制觸覺傳感器(壓力傳感器、拉伸傳感器)，還制作了能夠收集用戶健康信息的電子皮膚。這種電子皮膚也可以用作監(jiān)測(cè)用戶脈搏和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的新一代醫(yī)療保健設(shè)備。
主導(dǎo)本次研究的KAIST教授Steve Park表示：“為了未來伸縮性電子裝置的商業(yè)化，確保設(shè)備暴露在嚴(yán)酷條件下的高耐用性非常重要。該技術(shù)對(duì)于制作各種可變形具有高耐久性的伸縮性電子裝置將提供極大的幫助。
隨著電子設(shè)備的日益更新，新一代柔性電子設(shè)備越來越得到人們的青睞，例如電子皮膚、離子皮膚等柔性電子器件。但相比之下，具有柔性，透明性和自修復(fù)性的供能設(shè)備卻鮮有報(bào)道?；谀Σ辽姾挽o電感應(yīng)耦合的納米摩擦電發(fā)電機(jī)(TENG)，因其優(yōu)異的發(fā)電性能、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、便攜性等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛用于開發(fā)下一代電源器件。
江南大學(xué)劉禹教授團(tuán)隊(duì)AFM：雙材料 3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬/彈性體網(wǎng)格導(dǎo)電復(fù)合材料的有序組裝
電子皮膚、軟體機(jī)器人和電磁屏蔽（EMI）材料等應(yīng)用的快速發(fā)展，使得具有優(yōu)異變形性和導(dǎo)電性的可拉伸導(dǎo)體需求日益迫切。對(duì)于實(shí)際的工程應(yīng)用需求，可拉伸導(dǎo)體需要在復(fù)雜變形條件下具有穩(wěn)定導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)完整性。
通過精巧地設(shè)計(jì)并組合相關(guān)電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發(fā)出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設(shè)備，并在可穿戴電子，可穿戴康復(fù)機(jī)械人和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景.
、仿生皮膚等人工組織結(jié)構(gòu)、血管支架、靶向運(yùn)輸載體等在內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
盡管仿生電子皮膚已經(jīng)證明了其作為微針治療貼片的應(yīng)用，但微針的微侵入性仍有將生理環(huán)境暴露在病毒和細(xì)菌廣泛存在的外部環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。而基于生物相容性、粘性和自保濕水凝膠的非侵入性離子皮膚，則可以實(shí)現(xiàn)完全無創(chuàng)給藥，通過濃度梯度實(shí)現(xiàn)局部藥物輸送，所富含的生物礦物質(zhì)離子同時(shí)使離子信號(hào)能夠監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)。
水凝膠作為一種具有重要意義的軟材料，擁有優(yōu)秀的生物相容性、力學(xué)柔韌性以及獨(dú)特的粘附性，在生物醫(yī)療設(shè)備、軟機(jī)器人、人造電子皮膚和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域極具吸引力。目前，主要有兩種設(shè)計(jì)策略來提升水凝膠的性能。
