電子皮膚及其在泛在健康監測中的應用

皮膚作為人體最大的器官，不僅能夠作為保護我們身體免受外部細菌傷害的物理屏障，也是我們感知周圍環境的重要媒介。皮膚具有廣泛的超靈敏傳感器網絡，可以同時對溫度、壓力、濕度、觸覺等刺激進行生物傳感。當我們想要直接感知某個物體時，總是習慣地用手指皮膚來觸摸該物體表面。基于這些物理接觸，皮膚內部的各種感受器產生相應的電信號，并將之傳遞到中樞神經系統進行更復雜的處理。中樞神經系統可以理解這些電信號并提供適當的反饋。受人類皮膚的啟發，電子皮膚——一種由分布在單個均勻表面或堆疊在多個表面上的各種電子傳感器組成的人工智能皮膚，隨著材料和加工技術的創新應運而生。近年來，電子皮膚逐步展現出包括機械拉伸性、自修復能力和生物降解性在內的多種類皮膚特性，在醫療、健康監測等領域具有廣闊的應用前景。

電子皮膚——從科幻到科學

電子皮膚這一概念最早通過科幻小說走入公眾視野。1972年，卡迪根（M. Caidin）在小說《賽博格》（Cyborg）中探索了用機械代替人體器官的想法。1980年，在盧卡斯（G. Lucas）執導的電影《星球大戰5：帝國反擊戰》（Star Wars： Episode V—The Empire Strikes Back）中，醫療機器人給主角盧克安裝了一只具有觸覺感知能力的機械臂。1980年代到1990年代，系列電影《終結者》（The Terminator）中，人形機器人擁有強大的自愈能力……在充滿活力的微電子研究背景下，電子皮膚逐漸從科幻小說走向科學現實。

從1980年代到1990年代，研究人員逐漸利用剛性傳感器和電路來模擬皮膚的某些功能，但這些早期設備通常缺乏柔性和可拉伸性。2000年以后，柔性電子學的出現為電子皮膚提供了條件。2004年，研究人員利用低分子有機物并五苯分子制造薄膜，率先開發出一種能夠感知壓力和溫度的電子皮膚[1]，標志著電子皮膚研究的一個重要里程碑。2010年以后，隨著納米材料和微加工技術的應用和發展，電子皮膚的靈敏度和分辨率大幅提高，壓力、溫度、濕度等多種傳感器可以被集成到單一的柔性平臺上，實現多功能感知。這些進步極大地增強了電子皮膚在健康監測中的應用潛力，使其能夠實時、準確地監測人體的多種生理參數。石墨烯、碳納米管和導電聚合物等材料的引入，使電子皮膚更具柔性、導電性和耐用性。如今，電子皮膚技術飛速發展，正在朝著全面仿真人類皮膚的道路大步前進，我們正逐步邁向一個泛在健康的新時代。所謂泛在健康，指通過高度集成、智能互聯的健康監測技術，實現對人體健康狀況的全方位、全天候、無縫隙的監測與管理。電子皮膚，憑借其卓越的柔性貼膚能力和多模態傳感性能，成為這一愿景實現的關鍵技術之一。它不僅能夠緊密貼合人體表面，無感監測各項生理指標，還能通過智能算法分析數據，為用戶提供個性化的健康管理方案，從而推動醫療健康領域向更加精準、便捷、高效的方向發展。

電子皮膚仿生特性的實現

隨著科技的不斷發展，電子皮膚作為一種新的健康監測器件，其仿生特性的實現顯得尤為重要。當前，新型電子材料在可拉伸性、自愈合性等類皮膚特征方面展現出良好的性能，這些特性使得電子皮膚能夠模仿生物材料，為健康監測領域帶來革命性的變化。

可拉伸性

柔性與可拉伸性是電子皮膚的基本特征之一。在人體運動過程中，肢體與皮膚總是不可避免地產生拉伸等形變，傳統的電子材料如硅、金屬和氧化物大多都是脆性的，這在一定程度上限制了電子皮膚的實際應用。受到天然皮膚上皺紋和折痕的啟發，蛇形、基里加米和馬蹄形等結構被應用于可拉伸半導體的制作中[2]。這些幾何結構允許材料在拉伸過程中發生一定程度的形變，并且可以釋放施加的應變，有效降低施加到材料上的實際應力，使其不易在特定點斷裂，從而提高脆性材料的可拉伸性。

此外，通過混合彈性基底與納米微電子材料形成的納米顆粒、納米片和納米線等，現在已經被廣泛用作可拉伸導體的填充材料[3]。基于納米限域效應的聚合物半導體具有更強的鏈動力和更低的結晶度，以及更優異的拉伸性能[3]。

通過結合功能分子砌塊來實現動態分子相互作用，也是獲得固有可拉伸聚合物的方式之一。聚合物鏈之間的動態結合可以賦予絕緣聚合物和半導體聚合物拉伸性。實驗證實，在應變過程中，非共價動態交聯破壞了動態鍵實現了能量耗散，而應變釋放時，動態鍵又能重新生成，從而增強系統對應變和機械刺激的承受能力[4]。研究人員通過此種方法得到的有機晶體管，其借助弱氫鍵實現非共價動態交聯，大幅降低了其彈性模量，有效提高了材料的拉伸性。

自愈合性

人類皮膚能夠在損傷后進行自我修復。對于電子皮膚而言，這種自愈能力同樣重要。電子皮膚在長期使用過程中總會不可避免地受到一些機械損傷，自愈能力可以賦予電子皮膚像人類皮膚一樣的長期穩定性和可靠性。自愈合材料（也被稱作自修復材料）的研究主要集中在有機物和聚合物材料領域，自愈合材料主要依靠分子間的相互作用如氫鍵、金屬-配位和靜電作用，或者嵌入式的自愈合劑[5]。這種自愈合劑一般包含在微膠囊中。當材料受到機械損傷時，自愈合劑被釋放，其中所含的化學物質會引發聚合或者交聯，從而實現損傷區域的自愈合。液態金屬合金憑借其類似皮膚的柔性與可拉伸性，以及優異的導電性，成為一種新型的自愈合電子材料。2023年，研究人員提出了一種電學自愈合導體的設計[6]。將液態金屬膠囊和銅層相耦合，當銅層發生結構性損傷后，微膠囊會立刻破裂并釋放到受損位置。該導體具有對微小損傷的高靈敏度和對巨大變形的適應性，可以用于設計耐用的電子皮膚貼片。

生物相容性

電子皮膚往往與人類皮膚密切接觸，因此要求它們不能使宿主產生負面反應，也就是具有生物相容性。

生物相容性材料可以由多種來源制成，包括天然和半天然材料。例如，紙是一種廉價且輕質的半天然材料，可以將它用作生物相容材料的基底。基于晶體管的傳感器具有易于電子電路集成和實時非侵入式監測的優點，在紙上制作的晶體管陣列仍然能在高產率下保持較高的遷移率。此外，真正的天然材料，如多肽、雞蛋白和核堿基能夠被用作有機場效應晶體管的電介質，并且不會對其轉移曲線產生影響。

某些合成絕緣材料也可以具有生物相容性。聚二甲基硅氧烷憑借其優異的生物相容性、穩定的介電性能和高度的拉伸性，廣泛應用于電子皮膚的基底和介電層。其他合成聚合物，如聚乙二醇和聚乙烯醇也被認為具有生物相容性。

此外，由于電子皮膚會長期貼在皮膚上，保證其具有良好的透氣性也十分有必要。2017年，研究人員制作了一種由金覆蓋的聚乙烯醇纖維層構成的納米網導體[7]。先將該導體連接到皮膚上，再用水溶解聚乙烯醇纖維，留下僅含有金的納米網框架。這種結構有效減少了與皮膚的接觸面積，使皮膚得到了更好的透氣性。

生物降解性

如果電子皮膚能夠降解成無害成分，將大大減輕對環境的污染。而電子皮膚的一大應用就是植入式生物醫學設備。當其完成預期的治療、監測任務后，可以自行降解，避免手術移除給患者帶來的二次傷害。

2022年，研究人員提出了一種兼具生物降解性和吸收性的微機電系統器件[8]。該器件主要由摻雜多晶硅與氮化硅構成，并以生物可吸收的聚酸酐作為柔性基底。這些組分在水中經過水解會產生硅酸、氫氣和氨氣這類生物相容性的終產物，不會對人體器官造成不利影響。此外，研究人員還利用水凝膠黏合基質對該系統進行封裝，防止其在再分解過程中，由于結構形變而釋放的碎片破壞軟組織、阻塞血管。該器件在生物植入器件的應用領域展現了巨大潛力。此外，纖維素、絲素蛋白和蟲膠等天然材料具有天然的生物降解性，同樣也是制作電子皮膚傳感器的理想基材。

電子皮膚觸覺傳感器

為了將仿生皮膚技術應用于皮膚附著設備、機器人和假肢中，觸覺傳感器至關重要。觸覺傳感器的功能包括探測各種刺激，如壓力、應變、溫度、彎曲和滑動。為了能夠服帖地覆蓋不規則形狀的曲線表面并承受各種機械應力，觸覺傳感器同時也必須是柔性可拉伸的。

觸覺傳感器在理想情況下應該有高靈敏度、寬量程、高線性度、低滯后、快速響應及恢復的特性。這些特性對于實現準確的觸覺感知和快速的數據處理至關重要，特別是在醫療監測和仿生技術中。下面將介紹幾種典型的觸覺傳感器最新的研究方向。

應變傳感器

應變傳感器是一種能夠利用電容變化、壓阻效應、壓電效應、摩擦力等傳導原理，將物體因受力產生的微小形變轉化為可測量信號的裝置。傳統的可拉伸應變傳感器大多采用聚合物基柔性導電復合材料為基底，通過將無機導電粒子滲入該基底制備得到。但是，電子在這種材料中傳導速度較慢，基于聚合物基柔性導電復合材料的應變傳感器有一定的滯后性。

近年來，由納米纖維制成的多孔基底由于其優異的滲透性和機械性能，被廣泛應用于制備透氣應變傳感器。2021年，研究人員在聚對苯二甲酸乙二酯基底上通過靜電紡絲技術防止聚氨酯纖維，然后將銀納米線噴涂到纖維上，制備出一種新型的應變傳感器[9]。該項工作中引入了一種精細優化的光子燒結工藝，能夠提高傳感器的耐久性。并且由于該傳感器的多孔結構，它顯示出優異的皮膚透氣性。此外，2022年研究人員還設計了一種基于碳化絲綢織物的透氣應變傳感器，原始絲綢織物在惰性氣氛下熱處理碳化后被進一步包裝[10]。在這種結構中，經紗和緯紗由扭曲和平行的絲纖維組成。由這種結構制成的應變傳感器顯示出高靈敏度和出色的靈活性，可用于電子皮膚來實時監測人類活動，例如膝蓋運動監測。

溫度傳感器

人類皮膚不僅能感知各類機械刺激，還能通過皮膚下的溫度受體感知周圍環境的溫度變化。這種溫度傳感器能夠在高溫環境中提供早期預警，有效預防潛在損害，也是電子皮膚研發中不可或缺的功能之一。目前，電子皮膚領域主要存在4種溫度傳感器類型：電阻型、電容型、基于晶體管，以及基于PN結的溫度傳感器。其中，電阻型溫度傳感器的獨特優勢使其在電子皮膚應用領域表現尤為突出。首先，電阻型溫度傳感器的傳感元件主要由導電納米顆粒構成，能夠與各種材料或襯底兼容，便于與其他類型的傳感器結合以實現多功能的電子皮膚。其次，電阻型溫度傳感器傳感機制簡單，更容易實現高精度的溫度測量。

電子皮膚的醫學應用

對于許多慢性疾病如高血壓、糖尿病、腦卒中等，需要對患者進行24小時的持續監測和治療。如今，電子皮膚可以實時測量脈搏、血壓、溫度等生理體征。相比于傳統笨重的健康監測儀器，電子皮膚系統可以附著在人體皮膚上，能夠在不影響日常活動的情況下監測人體健康狀態，在遠程醫療監護上展現了廣闊的應用前景。筆者團隊在此領域取得了一定的成果。

外周動脈疾病是世界三大常見的心血管疾病之一。目前臨床診斷和監測的主要依據是踝肱指數。踝肱指數是通過測量下肢血壓推斷血氧水平的簡單方法，結果具有一定誤差，可能會發生誤診，需要搭配CT血管造影矯正結果。這種方法雖然精確，但是較為復雜、昂貴。基于這個問題，2022年筆者團隊使用超薄、超小（厚度3微米，寬度幾百微米）的近紅外發光二極管和探測器，研制出一款輕薄貼膚、易于穿戴、用于監測混合動靜脈血流的多生命體征皮膚光電生物傳感器，能夠實時監測包括腦氧飽和度、心率、動脈血氧飽和度等多種生命體征[11]。該柔性光電子血氧傳感器可用來測量外周動脈疾病患者的下肢氧分壓，對外周動脈疾病的臨床診斷做出準確評估。

2022年，筆者團隊提出了電紡自組裝技術構筑聚偏氟乙烯三維微結構薄膜的新方法，實現了基于該薄膜納米紡絲的超薄、超輕、透氣的金字塔微結構[12]。由此結構制備的壓容-摩擦電復合傳感器具有高靈敏度、快速響應的特性，能夠探測到極其微弱的指尖脈搏，實現動作和脈搏信息的同步靈敏感知。可以對貨車司機或計算機操作人員等人士的指尖動作和健康信息進行遠程感知。該研究為低成本大面積自組裝多功能微金字塔結構鋪平了道路，并為靈敏的貼膚設備在有效的個人健康監測和醫療大數據、高功率自供電電子和物聯網中的應用開辟了機會，同時把穿戴器件對皮膚觸覺的干擾和不適感降低到最小限度。

此外，2024年筆者團隊設計了一款基于雙交聯高韌性離子水凝膠材料的柔性溫度傳感器，該傳感器同時具有快速響應、高溫度分辨率、低回滯和高魯棒性的特點[13]。基于微納加工工藝，能夠識別小區域內的溫度分布，從而勾勒出皮膚上淺表層血管的路徑，可以有效監測呼吸，并測量手指、手心、額頭等不同部位的溫度。

連續血壓測量在心血管疾病的診斷和預防中起著關鍵作用。2024年，研究人員提出了一種基于壓電聚合物熱壓花的箔上超聲換能器技術[14]。借助壓花工藝在貼片上成功集成了微米級厚度的大面積超聲陣列，能夠以非入侵的方式連續測量中心血壓、心率等生理量[15]。

用于測量心電和肌電的電子皮膚也是一大熱門研究方向。這些電子皮膚可以精確捕捉人體的生物電信號，從而實現對心臟和肌肉活動的實時監測。研究人員還在不斷探索將更多功能集成到電子皮膚中，例如監測汗液成分、血糖、皮膚水合狀態等。

結語與展望

電子皮膚作為電子器件領域的一大突破，在健康監測領域的應用正逐漸引起人們的廣泛關注。這種技術從科幻的想象變為現實，以其獨特的仿生特性，預示著健康監測領域即將迎來巨大變革。隨著材料科學和加工技術的不斷進步，電子皮膚在可拉伸性和自愈合性等方面的仿生特性將越來越接近人類皮膚。隨著人工智能和大數據的發展，電子皮膚有望實現更智能、更全面的健康監測，提供個性化的醫療方案，并廣泛應用于運動健康管理、疾病預防和康復治療等領域。通過泛在網的連接，電子皮膚可以實時傳輸數據到云端，利用人工智能算法進行分析，為用戶提供實時反饋和健康建議。未來，電子皮膚將會有更加廣闊的應用前景。

[本文相關內容由國家重點研發計劃（2021YFA1401100）、國家自然科學基金項目（61825403、61921005）資助。]

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關鍵詞：電子皮膚 仿生 材料加工 健康監測 ■