基于皮革的電子皮膚設(shè)計(jì)原理示意圖

　　生命體總能進(jìn)化出各種復(fù)雜、精細(xì)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)特定的功能，皮膚就是這類杰作中的代表之一，它不僅是人體的天然屏障，也是感知外界環(huán)境變化的門戶。

　　但在生活中，人體不可避免地會(huì)受到外傷進(jìn)而在不同程度上損壞皮膚，因此，人工皮膚在前期的肢體保護(hù)和后期的仿真修復(fù)過程中都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。近日，國際著名期刊Advanced Science報(bào)道了中國團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種制備簡單、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的皮革基底上的電子皮膚，它結(jié)合了皮革天然的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性，使“死皮”重新具有感應(yīng)能力。

　　中國科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)常務(wù)副校長黃維，南京工業(yè)大學(xué)海外人才緩沖基地（先進(jìn)材料研究院）副院長霍峰蔚和四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室副研究員黃鑫為這篇研究論文的共同通訊作者。

　　《中國科學(xué)報(bào)》在采訪中獲悉，這種基于皮革的電子皮膚可應(yīng)用于柔性壓力傳感器、信息顯示器件和用戶交互器件等，為開發(fā)具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了新契機(jī)。

　　讓皮革有“觸覺”

　　柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚的關(guān)鍵因素。但如何將接近人體皮膚的柔性材料變身為有“觸覺”的電子皮膚，一直是國際科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域攻關(guān)的世界性難題。

　　黃維告訴《中國科學(xué)報(bào)》，此前，美國斯坦福大學(xué)教授鮑哲南院士的研究團(tuán)隊(duì)就通過引入微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應(yīng)時(shí)間。然而，雖然PDMS有良好的生物相容性，但卻具有不透氣的缺點(diǎn)，因此不適合長時(shí)間穿戴。

　　從動(dòng)物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料——皮革，擁有皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，成為電子皮膚的首選材料。美國西北大學(xué)羅杰斯和黃永剛兩位院士領(lǐng)導(dǎo)的生物集成電子中心研究團(tuán)隊(duì)就使用PDMS作為黏合劑，將硅器件黏合在皮革上，但該團(tuán)隊(duì)僅將皮革作為簡單的基底處理，卻忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點(diǎn)。

　　“通過傳統(tǒng)的鞣制工藝，可以使皮革恢復(fù)類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未被真正開發(fā)。”黃維表示，皮革作為一種舒適的穿戴材料，繼承了皮膚的精細(xì)結(jié)構(gòu)，為提高器件性能和擔(dān)載其他功能材料提供了結(jié)構(gòu)和功能保障，具有制備高性能電子皮膚的潛能。

　　“將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結(jié)合，可以使這一‘死了的皮膚’起死回生?！秉S維表示，該團(tuán)隊(duì)將皮革與不同種類的功能性納米材料（如酸化碳納米管、銀納米線等）結(jié)合在一起，重新賦予皮革感應(yīng)能力。

　　“在制備過程中，最首要的條件是調(diào)控皮革的導(dǎo)電性?！被舴逦迪颉吨袊茖W(xué)報(bào)》介紹，電子皮膚的主要功能就是在感知外部環(huán)境的刺激后，能夠?qū)⒋碳まD(zhuǎn)換為模擬電子信號(hào)，其方式類似于真實(shí)皮膚中感覺神經(jīng)的作用。

　　另外，功能材料用量不同，皮革的導(dǎo)電率也會(huì)隨之變化。因此，通過調(diào)整功能材料的用量，還可以賦予皮革不同的功能，有目的地獲得具有各種功能的電子皮膚。

　　霍峰蔚表示，由于皮革具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)、多孔性以及豐富的官能團(tuán)，因此，皮革與酸化碳納米管之間還存在物理和化學(xué)作用，使得酸化碳納米管在皮革中具有良好的滲透性。

　　“該電子皮膚的制備過程簡單、通用且可與傳統(tǒng)的皮革工藝結(jié)合，從而有利于低成本的大規(guī)模生產(chǎn)?！秉S鑫表示，通過將傳統(tǒng)皮革制造與新興納米材料相結(jié)合，可在提高皮革附加值的同時(shí)有助于開發(fā)新型的可穿戴多功能電子皮膚。

　　將釋放出更多功能

　　基于導(dǎo)電皮革，該交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種可穿戴的高靈敏度壓力傳感器?；舴逦当硎荆瑢⒁黄瑢?dǎo)電皮革和另一片具有叉指電極的皮革縫合，就可以制造出柔性且可穿戴的壓力傳感器。該壓力傳感器的傳感機(jī)制是，利用外部壓力刺激改變叉指電極與皮革中導(dǎo)電納米材料的接觸，從而獲得與外部壓力變化相對應(yīng)的電流或電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。

　　研究顯示，壓力傳感器可迅捷地響應(yīng)32.5毫克輕微羽毛的碰觸，且響應(yīng)時(shí)間僅40毫秒，具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)?；谄じ锏碾娮悠つw表現(xiàn)出的這種對“輕觸”的高靈敏感知，與真實(shí)皮膚的壓力感應(yīng)行為十分類似。由于皮革具有與生俱來的可穿戴性和可裁剪性，該器件還可以被制造成不同的形狀，如腕帶等。

　　除此之外，霍峰蔚介紹，將皮革獨(dú)特的多層級(jí)結(jié)構(gòu)與納米材料的優(yōu)異性能相結(jié)合，制備出的皮革電子皮膚可用于持續(xù)監(jiān)測手腕脈搏。

　　手腕脈搏是動(dòng)脈血壓和心率的重要指標(biāo)，也為醫(yī)學(xué)診斷提供了大量有價(jià)值的信息。例如，一些心血管疾病在初始階段并無癥狀，但可出現(xiàn)病理性脈搏。因此，通過腕脈連續(xù)監(jiān)測人體動(dòng)脈血壓可以為疾病的診斷提供快速、無創(chuàng)的方法。

　　基于皮革的壓力傳感器表帶可以精確地讀出健康人的手腕脈沖，還可以清楚地收集手腕脈沖的典型特征，包括沖擊波、潮汐波、舒張波等。這意味著，這種壓力傳感器可以識(shí)別手腕脈沖中微小的差異，有望用于醫(yī)學(xué)監(jiān)測。此外，基于皮革的壓力傳感器表帶適合長期佩戴，不會(huì)像傳統(tǒng)聚合物基底那樣引起不適。

　　“這表明通過合理的設(shè)計(jì)，基于皮革的電子皮膚可以重新具有感知能力?！被舴逦嫡f。導(dǎo)電皮革還可被用作顯示器件的背電極，顯著促進(jìn)信息的可視化，有利于改善人們的交流溝通和生活方式。另外，基于皮革的顯示器還可為用戶交互式電子皮膚提供即時(shí)的視覺響應(yīng)。

　　替代人體皮膚任重道遠(yuǎn)

　　目前，黃維團(tuán)隊(duì)研發(fā)的皮革電子皮膚還不能直接用于修復(fù)受損的人體皮膚，黃維坦言，人體皮膚是生命體經(jīng)過千萬年的進(jìn)化而來，它具有復(fù)雜的組成和結(jié)構(gòu)，目前的科技很難實(shí)現(xiàn)復(fù)原和替代。

　　霍峰蔚也表示，目前，該團(tuán)隊(duì)的研究使皮革具有了初步的壓力感知功能，雖然引入發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)了人類皮膚不具有的發(fā)光和顯示功能，但是要想達(dá)到和超越皮膚一樣的多種感知能力，還有很長的路要走。

　　“要制造可代替人體皮膚的電子皮膚，還需要多學(xué)科交叉和協(xié)同創(chuàng)新，如材料科學(xué)、化學(xué)制造、生命科學(xué)、電子科學(xué)和健康科技等。特別是，還需依靠新型智能材料的研究以及先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展?！被舴逦嫡f。

　　“目前，我們研發(fā)的皮革電子皮膚可以作為傳感器或者假肢材料實(shí)現(xiàn)對外界壓力刺激的感知?！被舴逦当硎?，在未來的醫(yī)療領(lǐng)域，皮革電子皮膚還可作為穿戴類的電子設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療大數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)也有望作為假肢材料幫助受損部位實(shí)現(xiàn)部分感知功能。