模仿生物皮肤及其功能的“电子皮肤”

一种具有延展性、自愈性和完全可回收性的新型“电子皮肤”的发现在健康监测、机器人、假肢和改进的生物医学设备方面具有广泛的应用。

发表在《科学进展》（Science Advances）上的一项研究展示了一种新型电子皮肤（简称e-skin），与人体皮肤相比，它具有诸多优势，包括可塑性、自愈性和完全可回收性^¹。皮肤是我们最大的器官，从外部看，它是覆盖身体的肉质部分。我们的皮肤功能多样，它能起到防水、隔热的作用，保护我们的身体免受各种外部危险或因素的侵害，例如有害的阳光。皮肤的一些功能包括调节体温、防止身体摄入有毒物质以及通过汗液排出有毒物质、提供机械和免疫支持，以及生成对骨骼至关重要的维生素D。皮肤也是一个巨大的传感器，拥有丰富的神经，可以与大脑进行即时通讯。

世界各地的研究人员一直致力于开发不同类型和尺寸的“可穿戴电子皮肤”，旨在模拟生物皮肤及其各种功能。目前迫切需要柔性可拉伸的器件，以便与柔软且曲面的人体皮肤无缝集成。纳米级（10⁻⁹^米）材料可以提供所需的机械和电学多功能性，从而取代以往常用的刚性硅材料。由美国科罗拉多大学博尔德分校肖建良博士领导的团队成功开发了一种人工电子皮肤（e-skin），旨在将人体皮肤的触觉感知转移到机器人和假肢上。这项尝试朝着未来“可穿戴”技术的方向发展，该技术在医疗、科学和工程领域具有巨大的潜力和价值。

电子皮肤：自愈和可回收

电子皮肤是一种轻薄半透明的材料，其结构包含一种新型的共价键合动态聚合物网络——聚亚胺。这种聚合物网络中添加了银纳米颗粒，以提高其机械强度、化学稳定性和导电性。此外，电子皮肤还内置传感器，用于测量压力、温度、湿度和气流。电子皮肤之所以备受瞩目，是因为它融合了诸多特性，使其能够极其逼真地模拟人体皮肤。它具有极高的可塑性，只需施加适度的热量和压力，即可轻松贴合在曲面上（例如人体的手臂和腿部、机械手等），而不会产生过大的应力。电子皮肤还具有惊人的自愈能力：当受到外部因素造成的任何切割或损伤时，它能够重新连接分离的两部分，恢复其原有的结构和功能，并恢复到最初的粘合状态。

如果该电子皮肤因任何情况而无法使用，则可以将其完全回收并通过将其放入可“液化”现有电子皮肤材料并将其变成“新”电子皮肤。 这种回收溶液——三种市售化合物在乙醇中的混合物——降解聚合物，银纳米颗粒沉入溶液底部。 这些降解的聚合物可以重新用于制造新的功能性电子皮肤。 这种在室温下可实现的自修复和可回收性归因于所用聚合物的化学键合。 聚亚胺聚合物网络的优点是它是可逆的，可以被破坏和回收，不像大多数传统恒温材料，因为它们交联的聚合物网络中的不可逆键，既不能重新成型，也不能再加工或回收。 这比人类皮肤本身更坚固，它可以用作它的增强而不是替代。 触摸起来也很愉快，感觉几乎就像真皮肤一样，将来可能会使其成为电子设备的覆盖剂。

电子皮肤的环保和低成本特性备受赞誉，这种电子皮肤能够大幅减少电子垃圾和环境影响，并有望在各个领域的制造商中得到广泛应用和普及。尽管目前听起来可能有些天方夜谭，但这种再利用技术同样可以应用于旧电子产品。事实上，现代健身追踪器和健康监测器一旦损坏，就会加剧电子垃圾的堆积，使环境问题更加恶化。电子皮肤可以佩戴在脖子上或手腕上，就像柔性可穿戴设备或临时纹身一样，损坏后可以回收再利用。由于电子皮肤具有柔韧性，可以弯曲、扭转，并可根据佩戴者的体型进行定制。这项技术为智能机器人开辟了道路，这种触感舒适、佩戴方便的电子皮肤可以包裹在机器人或人造肢体上。具体来说，包裹着这种电子皮肤的假肢手臂或腿部，由于内置了多个传感器，能够让佩戴者感知温度和压力的变化。配备这种电子皮肤的机械臂或腿部，可以使机器人对人类更加轻柔、安全可靠。例如，电子皮肤可以专门用于照看婴儿或体弱老人的机器人，从而避免机器人施加过大的力。电子皮肤的另一个潜在应用领域是危险环境或高风险作业。这项技术可以与虚拟按钮、控制装置或门禁系统结合使用，实现无需人为干预的操作，例如在爆炸物处理行业或其他危险行业，从而降低人员受伤的风险。

将显示添加到电子皮肤

东京大学的一个研究团队最近在超薄创可贴式电子皮肤贴片上添加了显示屏^{2 （微型LED），使其能够实时显示各种健康监测指标（例如，测量糖尿病患者的血糖水平或显示心脏病}患者的心电图波形）。这些贴片内部采用可拉伸的导线，因此可以根据佩戴者的动作弯曲或拉伸至多45%。它们被认为是目前为止最灵活、最耐用的设计。人体皮肤细胞的持续脱落可能导致贴片在几天后脱落，但这可以通过一些方法解决。

这项由染谷隆雄教授领导的研究表明，这种显示器最终可用于以无缝和简单的方式阅读和交流医疗信息，不仅适用于患者，也适用于家人、护理人员和卫生专业人员，无论是亲自还是什至远程。 它也会接收消息。 研究人员的目标是进一步提高贴片的可靠性，使其更具成本效益，并增加其产量以扩大全球范围。 他们的目标是到 2020 年底在市场上推出这款设备。

面临的挑战

电子皮肤的开发是一项非常令人兴奋的新研究，然而，我们的基本特性之一——柔韧性和拉伸能力——尚未通过电子皮肤成功实现。 电子皮肤柔软但不像人类皮肤那样有弹性。 根据作者的说法，就目前而言，这种材料也不是很容易重现。 与新模块相比，重新修复/回收的电子皮肤设备的整体传感性能略有下降，这需要通过进一步的研究来充分解决。 电子皮肤使用的磁场也相当高，需要按比例缩小。 目前，该设备由外部电源供电，这是非常不切实际的，但应该可以使用可充电的小型电池为设备供电。 肖博士和他的团队希望改进这个产品并改进缩放解决方案，这样至少可以克服经济障碍，并​​且这种电子皮肤应该更容易制造和放置在机器人、假肢、医疗设备或其他任何东西上。

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来源（S）

1. Zou Z 等人，2018。动态共价热固性纳米复合材料实现可修复、完全可回收且可塑性强的电子皮肤。《科学进展》。https ://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0508

2. Someya T. 2018. 基于超柔性皮肤传感器的连续健康监测。美国科学促进会年会研讨会，德克萨斯州奥斯汀，2018年2月17日。https ://aaas.confex.com/aaas/2018/meetingapp.cgi/Paper/20827

3. Yokota T. 等人. 超柔性有机光子皮肤. 科学进展. 2016年4月15日. 第2卷，第4期. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.1501856

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