新型电子皮肤可实时检测生理信号

近日，兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授领衔的柔性电子科研团队在电子皮肤领域取得了重大突破。他们成功研发出了一种全新的一体式自供能全透明柔性电子皮肤，这一创新成果彻底改变了传统电子皮肤的不便和不美观等问题，让电子皮肤在实用性和美观性上更进一步。

这种新型电子皮肤系统不仅具有出色的柔性、透明性和电化学性能，以及高灵敏度，而且充电后，它能够模仿人类皮肤的感知功能。实验显示，该电子皮肤可以贴敷于人体皮肤，实现对脉搏、吞咽、肢体运动等微弱生理信号以及大范围肢体运动的多尺度人体活动的实时检测。

兰伟教授介绍，这款电子皮肤是一项全新的柔性可穿戴传感器，具有轻薄、柔软、灵活等特性。它能够将外界刺激转化为不同的输出信号，在智慧医疗、人机交互、虚拟现实和人工智能等领域具有广泛的应用前景。

传统电子皮肤存在许多技术难题，如需要与外部电源集成以及多设备协同工作。除了传感部分外，其大部分组件通常都是刚性的，这极大地影响了电子皮肤的美观、舒适性和安全性，也对信号采集产生了不利影响。兰伟指出，现有的电子皮肤通常依赖于笨重的刚性电池或能量收集装置，前者机械刚性大、重量大、体积大，后者则受到位置、机体或环境机械活动水平等特殊条件的限制，无法提供持续稳定的能源供给。开发一款轻薄、柔软、高透明度和高稳定性的一体化自供电透明电子皮肤成为迫切需求。

为了实现电子皮肤的透明化，研究团队进行了一系列创新性的研究和实验。他们成功设计了一种由透明超级电容器、可拉伸透明应变传感器和蛇形电阻组成的一体式自供能全透明柔性电子皮肤系统。其中，“岛桥结构”的应变传感器由一维银纳米线和二维MXene纳米片构建而成，具有极高的灵敏度。而超级电容器则作为“隐身”电源，为该电子皮肤系统进行供电。这一研究成功解决了传统电子皮肤依赖外部电源供电且需有线连接、缺乏美感的问题。

除了实现电子皮肤的实用化和美观化，该研究还实现了对多尺度人体活动的检测，包括脉搏、吞咽、肢体运动等微弱生理信号以及大范围肢体运动。兰伟表示，如何在保持一定透光率的前提下实现超级电容器的高储能性能和传感器的高灵敏度是研究团队面临的最大挑战。但团队凭借长期在柔性电子学方面的应用基础研究积累，成功攻克了这一难题。

兰伟教授表示，未来电子皮肤将更加接近真实皮肤，具有更广泛的应用前景。例如，医生可以佩戴电子皮肤使手术机器人获取实时信息，提高手术的精准度；人们还可以通过触觉反馈实现远程“触摸”；电子游戏玩家可以切身体验游戏中的多种感受。随着技术的不断进步，电子皮肤将为人们的生活带来更多便利和乐趣。这款电子皮肤，如同第二层肌肤般贴合人体，展现出了令人惊艳的特性。它的超薄厚度、柔软质地和出色的生物相容性，让它能够直接贴敷在人体的皮肤上，捕捉那些微弱的生理信号，如脉搏跳动、声带振动，以及吞咽动作等。不仅如此，它还能监测到人体大范围肢体运动的状态，无论是颈椎、手腕、肘关节、膝关节，还是脚踝的活动，它都能一一捕捉并反馈。

尽管这款电子皮肤已经展现出了巨大的潜力，但它的传感功能仍然处于单一阶段，主要实现了拉伸应变传感。为了进一步提升其性能，研发团队正致力于通过材料复合、结构设计、封装策略等途径，实现压力、温度、湿度等多维感知功能的集成。这无疑将带来技术难度的指数式增加，包括制造工艺的复杂性、成本的提高，以及不同信号之间的严重串扰等挑战。但如何通过巧妙的结构设计，识别多个不同信号而不产生相互干扰，正是他们面临的重要课题。

现有的电子皮肤大多由弹性硅胶拉伸体制成，虽然具备一定的舒适性和延展性，但为了提高使用者长期佩戴的舒适度，电子皮肤还需要具备更好的透气性和更灵活的适应性。研发团队表示，他们希望在未来能够制造出更接近真实皮肤的电子皮肤。这不仅需要材料科学的突破，还需要与生物学、医学等领域的专家进行深入合作。

在电源方面，柔性电子科研团队也在不断新的技术路径。他们正致力于提升柔性电池和超级电容器的能量密度，并与其他能量供应方式集成，如纳米发电机、光伏装置等。这将为电子皮肤提供持续不间断的供电能力，满足其在各种应用场景下的需求。实现电子皮肤的无线信号传输、多设备协同、全柔性的后端电路与电子皮肤集成，也是整个系统未来多场景规模化应用的关键。这无疑是一项巨大的技术挑战，但研发团队表示，他们愿意与国内外相关科研团队合作，共同解决这些技术难题。

随着科技的不断进步和研发团队的持续努力，这款电子皮肤未来有望在健康监测、运动训练、康复训练等领域发挥巨大的作用。让我们共同期待这一科技奇迹的到来吧！