研究背景

當(dāng)今社會(huì)，可穿戴智能設(shè)備不斷增多，電子皮膚，又名新型可穿戴柔性仿生觸覺傳感器，是貼在“皮膚”上的電子設(shè)備，因而習(xí)慣性的被稱為電子皮膚，最早由美國麻省理工學(xué)院的技術(shù)人員研發(fā)出來，是一種可以讓機(jī)器人產(chǎn)生觸覺的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設(shè)備表面，能夠讓機(jī)器人感知到物體的地點(diǎn)和方位以及硬度等信息。如果將電子皮膚安裝到人體對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵部位，可以實(shí)現(xiàn)人體心率、血壓、肌肉張力等生理參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，改善人們健康問題。通過將電子皮膚貼附在機(jī)器人手指、手臂上，可以使得機(jī)器人獲得與人體皮膚一樣感受外界觸摸力的能力。

從技術(shù)角度上來看，即使目前已有很多關(guān)于電子皮膚觸覺傳感器的研究和相關(guān)報(bào)導(dǎo)，但仍然沒有多模式的具備所有探測(cè)功能和局部信號(hào)處理能力的人造皮膚集成技術(shù)。而從產(chǎn)品角度上來看，目前也不存在可被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人皮膚產(chǎn)品，即使是實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的觸覺傳感系統(tǒng)的產(chǎn)品也還未出現(xiàn)。

皮膚是人體最大的器官，不僅具有保護(hù)、分泌和呼吸的基本功能，而且是人類感知和交互的重要軀體感知系統(tǒng)?；诓煌奈锢砀袘?yīng)機(jī)制，例如壓阻，電容，壓電和摩擦電，電子皮膚能夠通過轉(zhuǎn)換它們來檢測(cè)和量化各種環(huán)境刺激，包括溫度，濕度，壓力，振動(dòng)和觸覺。摩擦納米發(fā)電機(jī)是新開發(fā)的能量捕獲技術(shù)，可以基于接觸帶電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，其具有成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多種材料選擇和高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電源和自供電傳感方面均具有廣闊的應(yīng)用潛力。

電子皮膚的舒適性，安全性和健康性始終被忽略，這在很大程度上限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。因此，具有舒適性和實(shí)用性的電子皮膚必須具有透氣性、生物降解性和抗菌活性。透氣性是調(diào)整熱水分平衡，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體和外部環(huán)境之間的氣體交換的重要手段。但是，大多數(shù)高性能電子皮膚都將膜作為電極或基質(zhì)，這可能會(huì)引起皮膚不適，甚至引起炎癥和瘙癢。此外，考慮到電子皮膚是長(zhǎng)時(shí)間與人體皮膚接觸，是微生物生長(zhǎng)的極好介質(zhì)，因此抗菌特性是電子皮膚抑制細(xì)菌生長(zhǎng)和預(yù)防細(xì)菌感染的重要性能。此外，大多數(shù)材料在使用壽命結(jié)束時(shí)可能會(huì)變成電子廢物，甚至?xí)θ梭w或污染環(huán)境。可以在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)運(yùn)行，然后完全降解為無害成分且無任何不利的長(zhǎng)期副作用的無毒可生物降解電子產(chǎn)品，將減少電子廢物的產(chǎn)生以及對(duì)環(huán)境的影響。因此，電子皮膚的性能優(yōu)化和大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用應(yīng)考慮透氣性、生物降解性和抗菌活性。

研究成果

通過電子皮膚（e-skin）模仿人類感知的綜合功能對(duì)于人機(jī)交互和人工智能的發(fā)展很重要。迄今已經(jīng)開發(fā)了一些具有高靈敏度和穩(wěn)定性的電子皮膚，然而，它們的舒適性、環(huán)境友好性和抗菌活性卻研究得很少。近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士課題組報(bào)告了一種基于全納米纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)的透氣、可生物降解和抗菌的電子皮膚，該皮膚是通過將銀納米線（Ag NW）夾在聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和聚乙烯醇（PVA）之間制成的。電子皮膚具有微米級(jí)至納米級(jí)的分層多孔結(jié)構(gòu)，具有高比表面積（用于接觸帶電）和大量毛細(xì)管通道（用于進(jìn)行熱濕傳遞）。通過調(diào)節(jié)Ag NW的濃度以及PVA和PLGA，可以分別調(diào)節(jié)電子皮膚的抗菌和生物降解能力。這種電子皮膚可以實(shí)現(xiàn)對(duì)全身生理信號(hào)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。這項(xiàng)工作為多功能電子皮膚提供了一種以前從未探索過的策略，并具有出色的實(shí)用性！相關(guān)研究工作以“A breathable, biodegradable,antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectricnanogenerators”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Science Advances》上。

圖文速遞

圖1. 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的全納米纖維電子皮膚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成分表征

圖2.拉伸性能、透氣性和電輸出性能測(cè)試

整合了透氣性、生物降解性和抗菌活性的全納米纖維摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）基電子皮膚可以方便、共形地附著在表皮上。電子皮膚由三個(gè)功能層組成，包括用于接觸帶電和防水的頂部PLGA，用于導(dǎo)電電極和抗菌劑的中間Ag NW，以及用于柔性基材和皮膚接觸的底部PVA。接觸角為115°的疏水性PLGA可有效防止水?dāng)U散到電極上，而親水性PVA（接觸角為38°）作為芯吸層可迅速吸收人體的熱量和汗水并及時(shí)擴(kuò)散到外部。平均直徑為167 nm的Ag NW纏結(jié)在一起，形成連續(xù)的滲濾網(wǎng)絡(luò)，位于PVA納米纖維的頂部，可提供具有高電導(dǎo)率和良好機(jī)械柔韌性的連續(xù)電子傳輸路徑。由多層堆疊的納米纖維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的許多三維微納米層孔隙使電子皮膚具有高柔韌性，合適的可拉伸性，大的比表面積，出色的透氣性和較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，氣體和水分子可以輕松通過纖維間的毛細(xì)管通道，以調(diào)節(jié)人體皮膚與外部環(huán)境之間微環(huán)境的熱濕平衡。

圖3. 抗菌活性和生物降解過程

由于電子皮膚直接放置在人體的上表皮上，因此其抗菌活性極為重要。銀具有針對(duì)特定細(xì)菌、真菌和病毒的廣譜殺生物特性，使其成為醫(yī)療應(yīng)用中最有希望的抗菌劑。抑制區(qū)和菌落計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，帶有Ag NW電極的電子皮膚具有良好的抗菌性能。隨著Ag NW添加劑量的增加，抗菌性能可以逐漸提高。這種電子皮膚的主要抗菌機(jī)制涉及銀離子改變細(xì)胞膜的呼吸或滲透性，然后滲透入細(xì)菌，并通過與細(xì)胞蛋白質(zhì)的硫醇基團(tuán)相互作用以繼續(xù)破壞細(xì)菌。

圖4 全身監(jiān)測(cè)生理信號(hào)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

人體是具有不同部位獨(dú)特生理信號(hào)特征的多傳感器系統(tǒng)?；诔錾膲毫γ舾行院捅Ｐ文芰?，這種電子皮膚能夠以快速、實(shí)時(shí)、無創(chuàng)且與用戶互動(dòng)的方式監(jiān)視各種形式的人體生理信號(hào)，以進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和疾病預(yù)防。

結(jié)論與展望

綜上所述，作者設(shè)計(jì)了一種基于納米摩擦發(fā)電機(jī)的靈活、可拉伸、透氣，可生物降解和抗菌的電子皮膚，以有效地收集機(jī)械能并監(jiān)測(cè)全身生理信號(hào)。通過將Ag NW電極夾在頂部PLGA摩擦電層和底部PVA襯底之間而設(shè)計(jì)的全納米纖維交叉網(wǎng)絡(luò)有助于形成三維微納孔結(jié)構(gòu)，它不僅為接觸帶電和壓力響應(yīng)提供了高比表面積，而且還確保了表面皮膚微環(huán)境的熱濕平衡和佩戴舒適性。由于Ag NWs的滅菌特性，因此電子皮膚具有顯著的抗菌作用。這種電子皮膚在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)，患者康復(fù)和運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

原文鏈接 https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba9624