納米材料在電子皮膚中的應用

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備，其對制作材料有著很高要求。納米材料及其復合材料具有柔韌度高、導電性好、易于功能化等特性，非常適合用來制作電子皮膚。該文對目前納米材料在電子皮膚各功能部件中的應用進行了介紹，歸納了電子皮膚目前的功能應用，并對納米材料如何在電子皮膚中應用的研究思路和方法進行了總結與展望。

關鍵詞：納米材料;電子皮膚;柔性;傳感器;生物相容性

中圖分類號：TB383? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，柔性可穿戴電子設備的迅速興起，改變了傳統的醫療診斷模式，通過這些設備就可以實時、無創、舒適地監測生理信息，為醫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備。最初發明電子皮膚是想將其運用在機器人上，使其獲得觸覺，以此來提高其動作的操作質量[1]，后來也逐漸將其運用到人體上，以此來實現醫學檢測、醫療康復、保健護理等目的。它由柔性基底、柔性電極、柔性傳感器構成，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，可以發現電子皮膚對器件整體的柔韌度、對外界刺激的靈敏度、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鍵。

常用的制作材料包括無機半導體材料、金屬材料及高分子材料等，大多存在透明性、柔韌性與導電性等性能無法兼顧的問題[1-2]，難以滿足電子皮膚微型而且多功能的要求。與之相比，納米材料具有獨特的優越性，它們通常質量輕、柔韌性好、剛度強度超過鋼鐵，并且表面薄、透明性高，尺寸小[2-3]，為進出生物膜及參與血液循環提供了方便[7]。比表面積大，吸附能力強，能為許多化學反應提供大量的活性位點，易于功能化。導熱率、導電率高且傳導速率快。熱化學穩定性優良，生物相容性較好。通過對其結構、形狀、尺寸進行改裝或與其他材料進行復合，還可以對其性能進行整體優化，或獲得更豐富的性能。這使其在電子皮膚中有很強的應用優勢，因此逐漸成為研究電子皮膚多功能集成材料的關注重點。

該文將以2類典型的納米材料——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用，旨在通過回顧這些應用，了解納米材料在電子皮膚中的應用研究進展，并對研究思路和方法進行總結與展望，以期能夠給后續研究帶來啟發。

1 納米材料在電子皮膚中的應用

從研究內容上看，目前研究者們已參照人體皮膚的基礎功能，對石墨烯、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用進行了研發，并在每個方面不斷創新和完善。此外，研究者們還致力于研究電子皮膚的多功能集成，通過石墨烯、納米金屬材料賦予電子皮膚獨特的功能，如自供電、自清潔等。

1.1 滿足基礎功能

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，其導電性好、靈敏度高、響應時間短、傳感范圍大、長期穩定耐用。

關于石墨烯，程萌[2]利用石墨烯設計了一種具有壓縮彈簧結構的傳感器，柔性優良，能實現拉伸、彎曲、扭轉的感應，進而可以實現對人體活動的監測。

關于納米金屬材料，程萌[2]還介紹了用銀納米線纖維制備的壓力傳感器，可以分別在電容、電阻模式下對壓力、平面應變進行感應。

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、熱敏性優良，制作出的溫度傳感器精度較高、重復性好，有望達到人體皮膚要求[3-4]。

關于石墨烯，黃奇凡[3]實驗發現在PDC-SiCNO陶瓷溫度傳感器中添加石墨烯后，其導電率、可重復性、穩定性均更好，原因是因為GO是導電顆粒，各顆粒之間存在“電場強度集中” 現象，使陶瓷結構中的電子更容易通過陶瓷基體，則表現為電導率的增大，從而顯示溫度。

關于納米金屬材料，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、化學活性位點多、對濕度高度敏感，環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注[5-6]。

關于石墨烯，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、靈敏度優異（22mV/%RH）、恢復迅速（3.5 s）。

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

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，通過對其結構進行適當的修飾改裝或與其他材料進行復合，即可制成生物傳感器，對癌細胞進行檢測。而將石墨烯和納米金顆粒結合來構建生物傳感器，不僅可以提高導電性而且生物相容性優良。陳霞[7]介紹了一種基于金納米粒子功能化石墨烯復合物的生物傳感器，實現了對癌胚抗原的Anti-CEA的定量檢測，線性范圍是1 fg/mL～1 100 ng/mL，檢測限為0.1 fg/mL。

2 實現附加功能

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用。而基于壓電發電原理和摩擦發電原理制作的，將機械能轉化為電能的柔性納米發電機，為電子皮膚提供了很有吸引力的自供電解決方案[8]。

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

2.2 自清潔

自清潔是指利用空氣、陽光、水等自動清除沾有污漬的表面，主要與表面潤濕性有關。

關于石墨烯，有人利用石墨烯分子邊緣區官能團親水性強的特性，以還原氧化石墨烯和納米結構的聚α-甲基苯乙烯制備了涂層織物，該織物具有自清潔、高導電、超疏水的特點。

關于納米金屬材料，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制備具有自清潔和防霉功能的涂膜。

3 電子皮膚的功能應用

電子皮膚可以幫助機器人精確獲取環境信息，提高識別、調節等操作的質量[1]。它也可穿戴在人體上，對呼吸、心率、脈搏、喉部肌肉群震動、眼球壓力或其他部位肌肉和表皮的運動等的人體相關生理信號進行實時跟蹤評測，為慢性疾病患者帶來福音[2-3]。此外科學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觸覺，或讓皮膚燒傷患者重新獲得美麗的皮膚[1-2]。總之，電子皮膚在人工智能、健康監測、醫療康復等領域都有著非常廣闊的應用前景。

4 結語

該文以2類典型的納米材料——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用，分析了納米材料的功能性和生物相容性，并簡要總結了目前電子皮膚的功能應用。從以上內容中可以發現，研究者的研究內容可以分為2個方面。1）優化已有功能，使電子皮膚更高精。利用納米材料及其復合材料的精巧結構，以及柔韌度高、導電性好等特點，改進制備工藝，優化電子皮膚的靈敏度、精準度、檢測限等。2）集成多種功能，使電子皮膚更實用。利用納米材料尺寸小、比表面積大、吸附性強、易于功能化等特點，改進制備工藝，讓電子皮膚集成多角度檢測和調節功能，并根據環境情況進行自供電、自清潔等操作。使各個功能之間相互兼容，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化集成的思路方法可歸納為以下2點。1）對材料表面改性。利用納米材料比表面積大、吸附性強、易功能化等特點，通過引入官能團、摻雜金屬納米粒子等手段，增強親水性、生物相容性等所需性能。2）與其他材料復合。通過沉積、紡絲、涂覆、組裝等方法，將納米材料與聚α-甲基苯乙烯、水凝膠等材料復合，結合各自的優點以獲得更佳性能。

此外，如何提高電子皮膚的生物相容性、實現電子皮膚與周圍神經細胞的交互，使人獲得逼真觸覺、如何降低成本以實現大面積生產等，也將是今后重要的研究方向。

從總體上看，電子皮膚的發展需要材料科學、生命科學、人工智能等多學科的共同努力。期待未來借助納米材料的優勢，電子皮膚能發揮出自身的卓越性能，為機器人的智能服務增色添彩，為人類的生命健康保駕護航。

參考文獻

[1]邱瀾，曹建國，周建輝，等.機器人柔彈性仿生電子皮膚研究進展[J].中南大學學報（自然科學版），2019，50（5）：1065-1074.

[2]程萌.基于金屬納米線及碳納米材料的柔性電子器件[D].北京：中國科學院大學，2016.

[3]黃奇凡.石墨烯改性PDC-SiCN陶瓷的制備、性能及其溫度傳感器的應用[D].廈門：廈門大學，2017.

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

[5]王貴欣，裴志彬，葉長輝.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].無機材料學報，2019，34（1）：115-119.

[6]符韜.基于靜電紡絲技術的一維納米材料在濕度傳感器中的應用[D].長沙：湖南大學，2015.