研究背景

當今社會，可穿戴智能設備不斷增多，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”上的電子設備，因而習慣性的被稱為電子皮膚，最早由美國麻省理工學院的技術人員研發出來，是一種可以讓機器人產生觸覺的系統，其結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。如果將電子皮膚安裝到人體對應的關鍵部位，可以實現人體心率、血壓、肌肉張力等生理參數的實時監測，改善人們健康問題。通過將電子皮膚貼附在機器人手指、手臂上，可以使得機器人獲得與人體皮膚一樣感受外界觸摸力的能力。

從技術角度上來看，即使目前已有很多關于電子皮膚觸覺傳感器的研究和相關報導，但仍然沒有多模式的具備所有探測功能和局部信號處理能力的人造皮膚集成技術。而從產品角度上來看，目前也不存在可被廣泛使用的標準機器人皮膚產品，即使是實現最簡單的觸覺傳感系統的產品也還未出現。

皮膚是人體最大的器官，不僅具有保護、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。基于不同的物理感應機制，例如壓阻，電容，壓電和摩擦電，電子皮膚能夠通過轉換它們來檢測和量化各種環境刺激，包括溫度，濕度，壓力，振動和觸覺。摩擦納米發電機是新開發的能量捕獲技術，可以基于接觸帶電和靜電感應耦合效應將機械能轉換成電能，其具有成本低，結構簡單，多種材料選擇和高轉換效率的優點，在可穿戴電源和自供電傳感方面均具有廣闊的應用潛力。

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際應用。因此，具有舒適性和實用性的電子皮膚必須具有透氣性、生物降解性和抗菌活性。透氣性是調整熱水分平衡，實現對人體和外部環境之間的氣體交換的重要手段。但是，大多數高性能電子皮膚都將膜作為電極或基質，這可能會引起皮膚不適，甚至引起炎癥和瘙癢。此外，考慮到電子皮膚是長時間與人體皮膚接觸，是微生物生長的極好介質，因此抗菌特性是電子皮膚抑制細菌生長和預防細菌感染的重要性能。此外，大多數材料在使用壽命結束時可能會變成電子廢物，甚至會傷害人體或污染環境。可以在規定的時間范圍內運行，然后完全降解為無害成分且無任何不利的長期副作用的無毒可生物降解電子產品，將減少電子廢物的產生以及對環境的影響。因此，電子皮膚的性能優化和大規模實際應用應考慮透氣性、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于人機交互和人工智能的發展很重要。迄今已經開發了一些具有高靈敏度和穩定性的電子皮膚，然而，它們的舒適性、環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研究所王中林院士課題組報告了一種基于全納米纖維摩擦納米發電機的透氣、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至納米級的分層多孔結構，具有高比表面積（用于接觸帶電）和大量毛細管通道（用于進行熱濕傳遞）。通過調節Ag NW的濃度以及PVA和PLGA，可以分別調節電子皮膚的抗菌和生物降解能力。這種電子皮膚可以實現對全身生理信號和關節運動的實時自動監測。這項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，并具有出色的實用性！相關研究工作以“A breathable, biodegradable,antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectricnanogenerators”為題發表在國際頂級期刊《Science Advances》上。

圖文速遞

圖1. 基于摩擦納米發電機的全納米纖維電子皮膚的結構設計和成分表征

圖2.拉伸性能、透氣性和電輸出性能測試

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電機（TENG）基電子皮膚可以方便、共形地附著在表皮上。電子皮膚由三個功能層組成，包括用于接觸帶電和防水的頂部PLGA，用于導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可有效防止水擴散到電極上，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擴散到外部。平均直徑為167 nm的Ag NW纏結在一起，形成連續的滲濾網絡，位于PVA納米纖維的頂部，可提供具有高電導率和良好機械柔韌性的連續電子傳輸路徑。由多層堆疊的納米纖維網絡構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構穩定性。此外，氣體和水分子可以輕松通過纖維間的毛細管通道，以調節人體皮膚與外部環境之間微環境的熱濕平衡。

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。銀具有針對特定細菌、真菌和病毒的廣譜殺生物特性，使其成為醫療應用中最有希望的抗菌劑。抑制區和菌落計數實驗的結果表明，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制涉及銀離子改變細胞膜的呼吸或滲透性，然后滲透入細菌，并通過與細胞蛋白質的硫醇基團相互作用以繼續破壞細菌。

圖4 全身監測生理信號和關節運動

人體是具有不同部位獨特生理信號特征的多傳感器系統。基于出色的壓力敏感性和保形能力，這種電子皮膚能夠以快速、實時、無創且與用戶互動的方式監視各種形式的人體生理信號，以進行醫學診斷和疾病預防。

結論與展望

綜上所述，作者設計了一種基于納米摩擦發電機的靈活、可拉伸、透氣，可生物降解和抗菌的電子皮膚，以有效地收集機械能并監測全身生理信號。通過將Ag NW電極夾在頂部PLGA摩擦電層和底部PVA襯底之間而設計的全納米纖維交叉網絡有助于形成三維微納孔結構，它不僅為接觸帶電和壓力響應提供了高比表面積，而且還確保了表面皮膚微環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。這種電子皮膚在個人健康監測，患者康復和運動表現監測等領域中具有廣闊的應用前景。

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