一个智能和集成的电子皮肤可检测各种生理或环境信号

　　对于可穿戴电子皮肤（e-skin）的实际应用，需要同时评估和定制多功能、自供电、可生物降解、生物相容性和透气的材料。将这些功能整合到灵活的电子皮肤中是非常可取的；然而，构建一个电子皮肤以满足实际应用的要求是非常困难的。

　　2021年6月2日，陕西科技大学王学川及刘新华共同通讯在Advanced Science（IF=15.84） 上在线发表了题为“Spider-Weband Ant-Tentacle Doubly Bio-Inspired Multifunctional Self-Powered ElectronicSkin with Hierarchical Nanostructure”的研究论文，构建了一个受生物启发的多功能电子皮肤，它具有基于蜘蛛网和蚂蚁触角的多层结构，可以通过一个三电纳米发电机收集生物能量，同时检测压力、湿度和温度。

　　作为人体最大的器官，皮肤不仅能保护人体免受环境的危害，还能保证其对外部环境的温度、压力和振动的及时感知。在物联网时代，电子皮肤（e-skin）甚至可以超越人类皮肤的感知功能，使其成为基本的数据收集装置，在人工假肢、智能机器人、可穿戴设备、健康监测系统等领域有着广泛的应用。尽管如此，开发一个多功能的、智能的、集成的电子皮肤仍然是一个关键的挑战。

　　然而，模仿生物结构（如人类皮肤、鸟类羽毛和植物叶子）可能有助于开发具有优良性能的材料。对于电子皮肤材料的实际应用，需要同时评估和定制敏感度、自供电能力、生物相容性、呼吸能力、灵活性、轻便性和成本效益。然而，到目前为止，只有少数电子皮肤具有这些综合特征，并已被重新报道。

　　电子皮肤是复杂的软传感器阵列，通过监测各种环境刺激，包括温度、湿度和压力，转化为实时和可视化的电子脉冲来实现信息。最近，为了提高电子皮肤的整体性能，它们被赋予了一些特殊的功能，如电致发光、自我修复、形状记忆效应、防裂、防水和传热。尽管对上述多种功能进行了不断的改进和优化，但能够真正模仿人类皮肤及其多种功能以实现最佳整合的电子皮肤是极为罕见的；尽管这构成了电子皮肤真正具有广泛用途的智能的基础。

　　大多数电子皮肤只能检测到一种类型的外部刺激，极大地限制了其实际应用。一些电子皮肤能够检测到一种以上的刺激，但灵敏度不够，表现为检测范围小、反应慢、恢复时间长。例如，在人工假体的某个位置，如指尖，为了实现人类皮肤的多刺激反应，几个具有不同功能的传感器必须一起工作。然而，平面阵列往往会导致传感位置的轻微偏差，这在高精度的应用中显然是致命的，而且纳入更多数量的传感器会导致更高的制造成本。

　　为了解决这个问题，新的导电或发光材料已经被开发出来，以增加电子皮肤对压力、温度或湿度的敏感性，但需要一个复杂的合成过程。在以前的研究中，通过设计和修改材料的结构，如模仿金字塔或皮肤启发的材料，在相同的压力下获得更大的接触面积，来实现灵敏度的提高。然而，这种方法往往需要蚀刻或模具反转，导致复杂的生产过程和昂贵的制造成本。因此，迫切需要开发一种多功能、高灵敏度、真正智能的电子皮肤，它可以有效地检测压力、湿度和温度，并可以为真正的感应工业化提供基础。

　　由于聚(乙烯醇)/聚(偏二氟乙烯)纳米薄膜的蛛网结构、内部珠链结构和基于胶原蛋白聚合的纳米薄膜的正摩擦材料，电子皮肤表现出最高的压力灵敏度（0.48 V kPa-1）和高检测范围（0-135 kPa）。同时，模仿蚂蚁触角的纳米薄膜为电子皮肤提供了较短的响应和恢复时间（分别为16和25秒），以适应较宽的湿度范围（25-85%RH）。该电子皮肤被证明在周围温度范围内（27-55℃）表现出温度阻力系数（TCR=0.0075℃-1）。此外，天然胶原蛋白聚合体和全纳米纤维结构确保了电子皮肤的生物可降解性、生物相容性和透气性，显示了实用性的巨大前景。

　　这项研究结合了多功能、敏感和自供电的材料，以确保一个智能和集成的电子皮肤，以检测各种生理或环境信号。它甚至可以确保渗透性和生物降解性，从而有助于促进电子皮肤在人机界面和人工智能方面更实用和环保的应用。