新型電子皮膚實現(xiàn)各尺度人體活動檢測

■傅昭儀

當今社會，可穿戴智能設(shè)備已經(jīng)普及開來，智能眼鏡、智能手表、智能腕帶等已經(jīng)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(shè)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(zhuǎn)化成不同的輸出信號。電子皮膚被認為是實現(xiàn)無創(chuàng)人機交互和可穿戴設(shè)備的理想電子設(shè)備，在智慧醫(yī)療領(lǐng)域能發(fā)揮很大的作用。

電子皮膚主要是由三部分元件構(gòu)成：傳感器、信號轉(zhuǎn)換與傳輸電路、具有特殊蛋白的神經(jīng)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(wěn)定可靠的能源供應組件以及無線信息傳輸功能。

傳統(tǒng)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(huán)境機械活動水平等特殊條件的限制，不能提供持續(xù)穩(wěn)定的能源供給。此外，除了傳感部分外，傳統(tǒng)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(chǎn)生了不利影響。且目前大多數(shù)電子皮膚多為不透明或部分透明，這主要是受限于結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和滲流理論。因此，迫切需要開發(fā)和構(gòu)建一款輕薄、柔軟、高透明度和高穩(wěn)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(shù)學院蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團隊在電子皮膚領(lǐng)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(tǒng)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(gòu)建的“島橋結(jié)構(gòu)”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(tǒng)進行供電。

該系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)的多尺度人體活動的檢測。其中多個相關(guān)技術(shù)已獲得中國發(fā)明專利授權(quán)。

未來，團隊將通過材料復合、結(jié)構(gòu)設(shè)計、封裝策略等途徑實現(xiàn)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(xù)不間斷供電。

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