一個智能和集成的電子皮膚可檢測各種生理或環境信號

　　對于可穿戴電子皮膚（e-skin）的實際應用，需要同時評估和定制多功能、自供電、可生物降解、生物相容性和透氣的材料。將這些功能整合到靈活的電子皮膚中是非常可取的；然而，構建一個電子皮膚以滿足實際應用的要求是非常困難的。

　　2021年6月2日，陜西科技大學王學川及劉新華共同通訊在Advanced Science（IF=15.84） 上在線發表了題為“Spider-Weband Ant-Tentacle Doubly Bio-Inspired Multifunctional Self-Powered ElectronicSkin with Hierarchical Nanostructure”的研究論文，構建了一個受生物啟發的多功能電子皮膚，它具有基于蜘蛛網和螞蟻觸角的多層結構，可以通過一個三電納米發電機收集生物能量，同時檢測壓力、濕度和溫度。

　　作為人體最大的器官，皮膚不僅能保護人體免受環境的危害，還能保證其對外部環境的溫度、壓力和振動的及時感知。在物聯網時代，電子皮膚（e-skin）甚至可以超越人類皮膚的感知功能，使其成為基本的數據收集裝置，在人工假肢、智能機器人、可穿戴設備、健康監測系統等領域有著廣泛的應用。盡管如此，開發一個多功能的、智能的、集成的電子皮膚仍然是一個關鍵的挑戰。

　　然而，模仿生物結構（如人類皮膚、鳥類羽毛和植物葉子）可能有助于開發具有優良性能的材料。對于電子皮膚材料的實際應用，需要同時評估和定制敏感度、自供電能力、生物相容性、呼吸能力、靈活性、輕便性和成本效益。然而，到目前為止，只有少數電子皮膚具有這些綜合特征，并已被重新報道。

　　電子皮膚是復雜的軟傳感器陣列，通過監測各種環境刺激，包括溫度、濕度和壓力，轉化為實時和可視化的電子脈沖來實現信息。最近，為了提高電子皮膚的整體性能，它們被賦予了一些特殊的功能，如電致發光、自我修復、形狀記憶效應、防裂、防水和傳熱。盡管對上述多種功能進行了不斷的改進和優化，但能夠真正模仿人類皮膚及其多種功能以實現最佳整合的電子皮膚是極為罕見的；盡管這構成了電子皮膚真正具有廣泛用途的智能的基礎。

　　大多數電子皮膚只能檢測到一種類型的外部刺激，極大地限制了其實際應用。一些電子皮膚能夠檢測到一種以上的刺激，但靈敏度不夠，表現為檢測范圍小、反應慢、恢復時間長。例如，在人工假體的某個位置，如指尖，為了實現人類皮膚的多刺激反應，幾個具有不同功能的傳感器必須一起工作。然而，平面陣列往往會導致傳感位置的輕微偏差，這在高精度的應用中顯然是致命的，而且納入更多數量的傳感器會導致更高的制造成本。

　　為了解決這個問題，新的導電或發光材料已經被開發出來，以增加電子皮膚對壓力、溫度或濕度的敏感性，但需要一個復雜的合成過程。在以前的研究中，通過設計和修改材料的結構，如模仿金字塔或皮膚啟發的材料，在相同的壓力下獲得更大的接觸面積，來實現靈敏度的提高。然而，這種方法往往需要蝕刻或模具反轉，導致復雜的生產過程和昂貴的制造成本。因此，迫切需要開發一種多功能、高靈敏度、真正智能的電子皮膚，它可以有效地檢測壓力、濕度和溫度，并可以為真正的感應工業化提供基礎。

　　由于聚(乙烯醇)/聚(偏二氟乙烯)納米薄膜的蛛網結構、內部珠鏈結構和基于膠原蛋白聚合的納米薄膜的正摩擦材料，電子皮膚表現出最高的壓力靈敏度（0.48 V kPa-1）和高檢測范圍（0-135 kPa）。同時，模仿螞蟻觸角的納米薄膜為電子皮膚提供了較短的響應和恢復時間（分別為16和25秒），以適應較寬的濕度范圍（25-85%RH）。該電子皮膚被證明在周圍溫度范圍內（27-55℃）表現出溫度阻力系數（TCR=0.0075℃-1）。此外，天然膠原蛋白聚合體和全納米纖維結構確保了電子皮膚的生物可降解性、生物相容性和透氣性，顯示了實用性的巨大前景。

　　這項研究結合了多功能、敏感和自供電的材料，以確保一個智能和集成的電子皮膚，以檢測各種生理或環境信號。它甚至可以確保滲透性和生物降解性，從而有助于促進電子皮膚在人機界面和人工智能方面更實用和環保的應用。