一種生物啟發(fā)的柔性電子皮膚

人類皮膚作為一個天然的、顯著的綜合傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以將環(huán)境刺激（即張力、壓力、溫度和振動）轉(zhuǎn)變成電信號，然后由大腦處理，以產(chǎn)生有效的指令。受生物皮膚這種多感官特征的啟發(fā)，具有類似特征的電子皮膚（e-skins） 被提出并逐漸發(fā)展成為眾多新型應(yīng)用的有效工具。

為了獲得模仿甚至超越生物皮膚的高性能電子皮膚，人們開發(fā)了新的材料和合理的制造方法來構(gòu)建集成的電子器件。過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）已經(jīng)被認為是下一代電子皮膚傳感器中蓬勃發(fā)展的導電劑，這歸功于其巨大的親水性和高電子傳導率。然而，盡管取得了諸多成就，但基于MXenes的電子皮膚的工作只集中在傳感能力的設(shè)備優(yōu)化上，而缺乏對另一個關(guān)鍵功能的研究，即視覺識別。機械傳感信息和視覺信號可以通過使用多組件集成電子器件同時獲得，但這需要一個極其復雜的制造過程。盡管已經(jīng)取得了一些有希望的進展，但仍然迫切需要探索簡單的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高能效的多模態(tài)融合。

用戶交互式電子皮膚可以將機械刺激轉(zhuǎn)化為可區(qū)分的輸出，在可穿戴設(shè)備和健康護理應(yīng)用方面顯示出巨大的潛力。然而，現(xiàn)有的設(shè)備有一些缺點，如復雜的集成程序和缺乏直觀的信號顯示功能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，基于此，同濟大學附屬第十人民醫(yī)院陳峰研究員、賀石生教授團隊和上海交通大學崔大祥教授團隊提出了一種生物啟發(fā)的用戶互動電子皮膚，它結(jié)構(gòu)簡單，可以在外部機械刺激下同步實現(xiàn)數(shù)字電反應(yīng)和光學可視化。

數(shù)字視覺融合電子皮膚的制備示意圖

此外，該電子皮膚包括一個具有碳納米管/納米纖維素/MXene納米混合網(wǎng)絡(luò)的導電層和一個可拉伸的彈性體層，后者由硅橡膠和熱變色顏料組成，可以在電壓輸入下產(chǎn)生可控的熱能，然后實現(xiàn)硅基彈性體的動態(tài)著色。

施加直流電壓對電子皮膚的焦耳加熱性能

電子皮膚的熱機械變色效果及應(yīng)用實例

特別是，這種創(chuàng)新的數(shù)字數(shù)據(jù)和視覺圖像的融合策略使電子皮膚能夠更加直觀和準確地監(jiān)測如手寫、飲水、行走和說話等人體活動。所展示的電子皮膚的簡單設(shè)計理念和可靠的操作，有望為下一代柔性電子器件提供一個理想的平臺。相關(guān)研究以“Bioinspired MXene?Based User?Interactive Electronic Skin for Digital and Visual Dual?Channel Sensing”為題發(fā)表在Nano-Micro Letters期刊上。

電子皮膚用于檢測各種生理運動的響應(yīng)信號

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種生物啟發(fā)的柔性電子皮膚，它整合了機電傳感和光學顯示，以實現(xiàn)視覺運動監(jiān)測。該電子皮膚制造簡單，為新型柔性電子器件的設(shè)計翻開新的篇章，并在可穿戴設(shè)備、人機互動和軟智能機器人等眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00838-0

審核編輯 ：李倩