納米材料在電子皮膚中的應(yīng)用

姚姮 劉丞鈺 陳榮光 龐興志

摘? 要：電子皮膚是一種典型的柔性可穿戴電子設(shè)備，其對(duì)制作材料有著很高要求。納米材料及其復(fù)合材料具有柔韌度高、導(dǎo)電性好、易于功能化等特性，非常適合用來(lái)制作電子皮膚。該文對(duì)目前納米材料在電子皮膚各功能部件中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，歸納了電子皮膚目前的功能應(yīng)用，并對(duì)納米材料如何在電子皮膚中應(yīng)用的研究思路和方法進(jìn)行了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：納米材料;電子皮膚;柔性;傳感器;生物相容性

中圖分類(lèi)號(hào)：TB383? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)，柔性可穿戴電子設(shè)備的迅速興起，改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷模式，通過(guò)這些設(shè)備就可以實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、舒適地監(jiān)測(cè)生理信息，為醫(yī)療保健提供新的途徑。

電子皮膚是一種典型的柔性可穿戴電子設(shè)備。最初發(fā)明電子皮膚是想將其運(yùn)用在機(jī)器人上，使其獲得觸覺(jué)，以此來(lái)提高其動(dòng)作的操作質(zhì)量[1]，后來(lái)也逐漸將其運(yùn)用到人體上，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)檢測(cè)、醫(yī)療康復(fù)、保健護(hù)理等目的。它由柔性基底、柔性電極、柔性傳感器構(gòu)成，其中柔性傳感器為核心部件，由具有壓敏、電敏等功能的材料制成。以人體皮膚為參照，可以發(fā)現(xiàn)電子皮膚對(duì)器件整體的柔韌度、對(duì)外界刺激的靈敏度、生物相容性等諸多方面都提出了很高要求，因此選擇合適的制作材料是關(guān)鍵。

常用的制作材料包括無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料、金屬材料及高分子材料等，大多存在透明性、柔韌性與導(dǎo)電性等性能無(wú)法兼顧的問(wèn)題[1-2]，難以滿(mǎn)足電子皮膚微型而且多功能的要求。與之相比，納米材料具有獨(dú)特的優(yōu)越性，它們通常質(zhì)量輕、柔韌性好、剛度強(qiáng)度超過(guò)鋼鐵，并且表面薄、透明性高，尺寸小[2-3]，為進(jìn)出生物膜及參與血液循環(huán)提供了方便[7]。比表面積大，吸附能力強(qiáng)，能為許多化學(xué)反應(yīng)提供大量的活性位點(diǎn)，易于功能化。導(dǎo)熱率、導(dǎo)電率高且傳導(dǎo)速率快。熱化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良，生物相容性較好。通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸進(jìn)行改裝或與其他材料進(jìn)行復(fù)合，還可以對(duì)其性能進(jìn)行整體優(yōu)化，或獲得更豐富的性能。這使其在電子皮膚中有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此逐漸成為研究電子皮膚多功能集成材料的關(guān)注重點(diǎn)。

該文將以2類(lèi)典型的納米材料——石墨烯和納米金屬材料為例，介紹其在電子皮膚各部件中的應(yīng)用，旨在通過(guò)回顧這些應(yīng)用，了解納米材料在電子皮膚中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并對(duì)研究思路和方法進(jìn)行總結(jié)與展望，以期能夠給后續(xù)研究帶來(lái)啟發(fā)。

1 納米材料在電子皮膚中的應(yīng)用

從研究?jī)?nèi)容上看，目前研究者們已參照人體皮膚的基礎(chǔ)功能，對(duì)石墨烯、納米金屬材料在壓力傳感、溫度傳感、濕度傳感、生物傳感等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研發(fā)，并在每個(gè)方面不斷創(chuàng)新和完善。此外，研究者們還致力于研究電子皮膚的多功能集成，通過(guò)石墨烯、納米金屬材料賦予電子皮膚獨(dú)特的功能，如自供電、自清潔等。

1.1 滿(mǎn)足基礎(chǔ)功能

1.1.1 制作壓力傳感器

用石墨烯、納米金屬材料制作壓力傳感器，其導(dǎo)電性好、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短、傳感范圍大、長(zhǎng)期穩(wěn)定耐用。

關(guān)于石墨烯，程萌[2]利用石墨烯設(shè)計(jì)了一種具有壓縮彈簧結(jié)構(gòu)的傳感器，柔性?xún)?yōu)良，能實(shí)現(xiàn)拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)的感應(yīng)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。

關(guān)于納米金屬材料，程萌[2]還介紹了用銀納米線(xiàn)纖維制備的壓力傳感器，可以分別在電容、電阻模式下對(duì)壓力、平面應(yīng)變進(jìn)行感應(yīng)。

1.1.2 制作溫度傳感器

石墨烯和納米金屬材料比表面積大、電敏、熱敏性?xún)?yōu)良，制作出的溫度傳感器精度較高、重復(fù)性好，有望達(dá)到人體皮膚要求[3-4]。

關(guān)于石墨烯，黃奇凡[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在PDC-SiCNO陶瓷溫度傳感器中添加石墨烯后，其導(dǎo)電率、可重復(fù)性、穩(wěn)定性均更好，原因是因?yàn)镚O是導(dǎo)電顆粒，各顆粒之間存在“電場(chǎng)強(qiáng)度集中” 現(xiàn)象，使陶瓷結(jié)構(gòu)中的電子更容易通過(guò)陶瓷基體，則表現(xiàn)為電導(dǎo)率的增大，從而顯示溫度。

關(guān)于納米金屬材料，高曉月[4]基于金屬硫化物微納米薄膜制備了柔性溫度傳感器，溫度傳感效果良好。

1.1.3 制作濕度傳感器

石墨烯、納米金屬顆粒表面積巨大、親水性強(qiáng)、化學(xué)活性位點(diǎn)多、對(duì)濕度高度敏感，環(huán)境濕度變化可迅速引起其表面變化，因此受到研究者的熱切關(guān)注[5-6]。

關(guān)于石墨烯，王貴欣[5]以噴墨印刷法制備了柔性石墨烯濕度傳感器，成本低廉、靈敏度優(yōu)異（22mV/%RH）、恢復(fù)迅速（3.5 s）。

關(guān)于納米金屬材料，符韜[6]利用靜電紡絲技術(shù)制備了ZnFe2O4納米濕度傳感器，最高靈敏度為85.03（75%RH～95%RH），響應(yīng)時(shí)間為5.60 s（35%RH～75%RH），與同類(lèi)型濕度傳感器相比具有更快的響應(yīng)速度。

1.1.4 制作生物傳感器

石墨烯和納米金屬材料都具有大的比表面積和豐富的特異活性位點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎椄难b或與其他材料進(jìn)行復(fù)合，即可制成生物傳感器，對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行檢測(cè)。而將石墨烯和納米金顆粒結(jié)合來(lái)構(gòu)建生物傳感器，不僅可以提高導(dǎo)電性而且生物相容性?xún)?yōu)良。陳霞[7]介紹了一種基于金納米粒子功能化石墨烯復(fù)合物的生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌胚抗原的Anti-CEA的定量檢測(cè)，線(xiàn)性范圍是1 fg/mL～1 100 ng/mL，檢測(cè)限為0.1 fg/mL。

2 實(shí)現(xiàn)附加功能

2.1 自供電

雖然目前電池仍是制作電子皮膚的首選，但其靈活性和可拉伸性限制了其應(yīng)用。而基于壓電發(fā)電原理和摩擦發(fā)電原理制作的，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的柔性納米發(fā)電機(jī)，為電子皮膚提供了很有吸引力的自供電解決方案[8]。

其中摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理是2個(gè)電負(fù)性差很大的2層薄膜背接電極，2個(gè)電極接觸時(shí)，2層薄膜摩擦，分開(kāi)時(shí)帶上了相反的電荷，造成電勢(shì)差，從而使電子在2個(gè)電極之間流動(dòng)，以平衡薄膜間的靜電電勢(shì)差。當(dāng)2個(gè)接觸面再次重合時(shí)，電勢(shì)差消失，電子反向流動(dòng)。通過(guò)2個(gè)電極不斷接觸和分開(kāi)，摩擦發(fā)電機(jī)的輸出端就將輸出交變的電流脈沖信號(hào)，從而對(duì)外輸出電能。韓杰敏等[8]人基于該原理，用石墨烯森林電極構(gòu)建了柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生了穩(wěn)定的電壓輸出（20 V）和電流輸出（0.75 μA）。

2.2 自清潔

自清潔是指利用空氣、陽(yáng)光、水等自動(dòng)清除沾有污漬的表面，主要與表面潤(rùn)濕性有關(guān)。

關(guān)于石墨烯，有人利用石墨烯分子邊緣區(qū)官能團(tuán)親水性強(qiáng)的特性，以還原氧化石墨烯和納米結(jié)構(gòu)的聚α-甲基苯乙烯制備了涂層織物，該織物具有自清潔、高導(dǎo)電、超疏水的特點(diǎn)。

關(guān)于納米金屬材料，徐群娜等基于納米TiO2，提出了一種以原位水解，并在表面摻入小分子的方法來(lái)制備具有自清潔和防霉功能的涂膜。

3 電子皮膚的功能應(yīng)用

電子皮膚可以幫助機(jī)器人精確獲取環(huán)境信息，提高識(shí)別、調(diào)節(jié)等操作的質(zhì)量[1]。它也可穿戴在人體上，對(duì)呼吸、心率、脈搏、喉部肌肉群震動(dòng)、眼球壓力或其他部位肌肉和表皮的運(yùn)動(dòng)等的人體相關(guān)生理信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤評(píng)測(cè)，為慢性疾病患者帶來(lái)福音[2-3]。此外科學(xué)家正努力將電子皮膚移植到人體上，給殘疾人的仿生假肢賦予真實(shí)觸覺(jué)，或讓皮膚燒傷患者重新獲得美麗的皮膚[1-2]?？傊?，電子皮膚在人工智能、健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

該文以2類(lèi)典型的納米材料——石墨烯、納米金屬材料為例，綜述了納米材料在電子皮膚中的應(yīng)用，分析了納米材料的功能性和生物相容性，并簡(jiǎn)要總結(jié)了目前電子皮膚的功能應(yīng)用。從以上內(nèi)容中可以發(fā)現(xiàn)，研究者的研究?jī)?nèi)容可以分為2個(gè)方面。1）優(yōu)化已有功能，使電子皮膚更高精。利用納米材料及其復(fù)合材料的精巧結(jié)構(gòu)，以及柔韌度高、導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，改進(jìn)制備工藝，優(yōu)化電子皮膚的靈敏度、精準(zhǔn)度、檢測(cè)限等。2）集成多種功能，使電子皮膚更實(shí)用。利用納米材料尺寸小、比表面積大、吸附性強(qiáng)、易于功能化等特點(diǎn)，改進(jìn)制備工藝，讓電子皮膚集成多角度檢測(cè)和調(diào)節(jié)功能，并根據(jù)環(huán)境情況進(jìn)行自供電、自清潔等操作。使各個(gè)功能之間相互兼容，找到各功能之間的最佳平衡。

該文提到的研究者所用的功能優(yōu)化集成的思路方法可歸納為以下2點(diǎn)。1）對(duì)材料表面改性。利用納米材料比表面積大、吸附性強(qiáng)、易功能化等特點(diǎn)，通過(guò)引入官能團(tuán)、摻雜金屬納米粒子等手段，增強(qiáng)親水性、生物相容性等所需性能。2）與其他材料復(fù)合。通過(guò)沉積、紡絲、涂覆、組裝等方法，將納米材料與聚α-甲基苯乙烯、水凝膠等材料復(fù)合，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)以獲得更佳性能。

此外，如何提高電子皮膚的生物相容性、實(shí)現(xiàn)電子皮膚與周?chē)窠?jīng)細(xì)胞的交互，使人獲得逼真觸覺(jué)、如何降低成本以實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)等，也將是今后重要的研究方向。

從總體上看，電子皮膚的發(fā)展需要材料科學(xué)、生命科學(xué)、人工智能等多學(xué)科的共同努力。期待未來(lái)借助納米材料的優(yōu)勢(shì)，電子皮膚能發(fā)揮出自身的卓越性能，為機(jī)器人的智能服務(wù)增色添彩，為人類(lèi)的生命健康保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

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[4]高曉月.基于金屬硫化物微納米薄膜對(duì)電極的纖維狀量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和多種柔性溫度傳感器的制備研究[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2019.

[5]王貴欣，裴志彬，葉長(zhǎng)輝.自供能柔性氧化石墨烯濕度傳感器的噴墨印刷制備及性能研究[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2019，34（1）：115-119.

[6]符韜.基于靜電紡絲技術(shù)的一維納米材料在濕度傳感器中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2015.