新型電子皮膚可實(shí)時(shí)檢測(cè)生理信號(hào)
近日，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團(tuán)隊(duì)在電子皮膚領(lǐng)域取得新突破。團(tuán)隊(duì)提出的一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚，一改先前穿戴不方便、不美觀的缺點(diǎn)，能夠讓電子皮膚發(fā)揮更大作用。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種新型電子皮膚系統(tǒng)除了具有優(yōu)異的柔性、透明性和電化學(xué)性能以及高靈敏度之外，充電后，該一體式電子皮膚還可模仿人類皮膚感知功能，貼敷于人體皮膚實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏、吞咽、肢體運(yùn)動(dòng)等微弱生理信號(hào)和大范圍肢體運(yùn)動(dòng)的多尺度人體活動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
解決傳統(tǒng)電子皮膚多個(gè)技術(shù)難題
蘭偉介紹，模仿人類皮膚感知功能的電子皮膚是一種新型的柔性可穿戴傳感器，具有輕薄、柔軟、靈活等特點(diǎn)，可將外界刺激轉(zhuǎn)化為不同的輸出信號(hào)，因此在智慧醫(yī)療、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
“傳統(tǒng)電子皮膚大多需要與外部電源集成，以及多設(shè)備協(xié)同工作。”蘭偉說，除了傳感部分外，傳統(tǒng)電子皮膚大多數(shù)組件通常都是剛性的，這極大地影響了電子皮膚的美感、舒適性和安全性，也對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生了不利影響。
“現(xiàn)有的電子皮膚通常依靠笨重的剛性電池或能量收集裝置來運(yùn)行。”蘭偉介紹，但前者機(jī)械剛性大、重量大、體積大，后者受位置、機(jī)體或環(huán)境機(jī)械活動(dòng)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。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。
此外，實(shí)現(xiàn)電子皮膚透明化，可滿足視覺或美學(xué)的要求，也是走向?qū)嵱没谋亟?jīng)之路。電子皮膚的透明效果可為其功能設(shè)計(jì)提供更多靈感，例如與光伏能源收集模塊和變色效果集成。
“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(jì)、材料選擇和滲流理論。”蘭偉說，理想的柔性電子皮膚應(yīng)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(dú)立穩(wěn)定可靠的能源供應(yīng)組件以及無線信息傳輸功能。
基于長(zhǎng)期的工作積累和研究經(jīng)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚。
蘭偉介紹，該系統(tǒng)由透明超級(jí)電容器、可拉伸透明應(yīng)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(yīng)變傳感器具有極高的靈敏度，超級(jí)電容器作為“隱身”電源可為一體式電子皮膚系統(tǒng)進(jìn)行供電。“本研究解決了現(xiàn)有的電子皮膚依靠外部電源供電且需有線連接、非透明缺乏美感的問題。”蘭偉說。
實(shí)現(xiàn)了各尺度人體活動(dòng)的檢測(cè)
蘭偉介紹，團(tuán)隊(duì)的該項(xiàng)研究除了設(shè)計(jì)一種一體式自供能的全透明柔性電子皮膚，實(shí)現(xiàn)了透明超級(jí)電容器、可拉伸透明應(yīng)變傳感器和蛇形電阻的單片集成外，更重要的是實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈搏、吞咽、肢體運(yùn)動(dòng)等微弱生理信號(hào)和大范圍肢體運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的多尺
度人體活動(dòng)的檢測(cè)。
“如何在保持一定透光率的前提下實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容器的高儲(chǔ)能性能和傳感器的高靈敏度，是研究團(tuán)隊(duì)面臨的最大困難。”蘭偉說。
此前，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事柔性電子學(xué)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2017年，團(tuán)隊(duì)首次提出了基于一維銀納米線網(wǎng)絡(luò)的柔性透明熱療片；2019年，團(tuán)隊(duì)將銀納米線網(wǎng)絡(luò)作為超級(jí)電容器的集流體，在表面原位構(gòu)建了具有高贗電容特性的二維垂直納米片陣列作為活性材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了器件的高透明度和出色的電化學(xué)儲(chǔ)能特性。為了擺脫滲流理論限制，團(tuán)隊(duì)通過靜電紡絲結(jié)合磁控濺射技術(shù)制備出了大面積、排布方向可控的金屬銀納米纖維網(wǎng)絡(luò)的柔性透明電極，使導(dǎo)電性和透光率兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)方面同時(shí)得到了大幅度提升。
2021年，團(tuán)隊(duì)將銀納米纖維網(wǎng)絡(luò)作為超級(jí)電容器的集流體，設(shè)計(jì)構(gòu)建了銀納米纖維與氧化鉬納米線復(fù)合的電極結(jié)構(gòu)，在不犧牲透光率的前提下實(shí)現(xiàn)了器件電化學(xué)儲(chǔ)能特性的大幅度提升。同年，團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控銀納米纖維的排布方向，發(fā)現(xiàn)基于定向排列銀纖維網(wǎng)絡(luò)的透明熱療片顯示出非常優(yōu)異的透明性、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性。多個(gè)相關(guān)技術(shù)已獲得中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)。
基于前期工作積累，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備工藝優(yōu)化多等方面入手，進(jìn)行一體式自供能的全透明柔性電子皮膚攻關(guān)，如利用缺陷工程提升超級(jí)電容器的能量密度，引入納米纖維素調(diào)控光折射率構(gòu)筑自支撐紙電極，設(shè)計(jì)一維銀納米線復(fù)合二維納米片網(wǎng)絡(luò)和“島—橋”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高傳感器的透明性和靈敏度等。
未來電子皮膚將更接近真實(shí)皮膚
“電子皮膚是未來可穿戴電子設(shè)備的核心，具有廣闊的應(yīng)用前景。”蘭偉說，例如醫(yī)生佩戴電子皮膚可以使手術(shù)機(jī)器人獲取實(shí)時(shí)信息讓手術(shù)更精準(zhǔn)；通過觸覺反饋實(shí)現(xiàn)親人之間或朋友之間的遠(yuǎn)程“觸摸”；讓電子游戲玩家不單單享受視覺沖擊，更能切身體驗(yàn)游戲中多種感受。這款電子皮膚具有厚度薄、柔軟親膚和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，可以直接貼敷在人體皮膚上檢測(cè)微弱生理信號(hào)如脈搏、聲帶振動(dòng)、吞咽和大范圍肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如頸椎、手腕、肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、腳踝等的活動(dòng)。接下來，他們將著重解決傳感、電源等方面的問題。
在傳感方面，目前該電子皮膚功能較為單一，主要實(shí)現(xiàn)了拉伸應(yīng)變傳感，未來團(tuán)隊(duì)將通過材料復(fù)合、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝策略等途徑實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、濕度等多維感知功能集成。傳感功能多樣化也將帶來技術(shù)難度的指數(shù)式增加，包括制造工藝復(fù)雜、成本高、不同信號(hào)之間的嚴(yán)重串?dāng)_等，如何通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)識(shí)別多個(gè)不同信號(hào)而不產(chǎn)生相互干擾顯得尤為重要。此外，現(xiàn)有電子皮膚大多由彈性硅膠拉伸體制成，為了提高使用者長(zhǎng)期佩戴的舒適度，電子皮膚還應(yīng)該具備一定的透氣性和更加靈活的延展性。“我們希望在未來能夠制成更接近真實(shí)皮膚的電子皮膚。”蘭偉說。
“電源方面，我們?nèi)嵝噪娮涌蒲袌F(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升柔性電池和超級(jí)電容器的能量密度，并探索與其他能量供應(yīng)方式集成，如納米發(fā)電機(jī)、光伏裝置等，希望可滿足電子皮膚的持續(xù)不間斷供電。”蘭偉說，另外，實(shí)現(xiàn)電子皮膚的無線信號(hào)傳輸、多設(shè)備協(xié)同、全柔性的后端電路與電子皮膚集成是整個(gè)系統(tǒng)未來多場(chǎng)景規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵，他們希望未來可以與國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)合作解決這些技術(shù)難題。（記者 頡滿斌）
