万甦伟等：电子皮肤新型材料与性能研究进展 ·705· in terms of stretch/compressibility,biocompatibility,biodegradability,self-power,self-healing,temperature sensitivity,and multi- functional integration.Moreover,we anticipate the future research directions of new electronic skin properties and possible ways to achieve large-area,low-cost,multi-function integrated electronic skin sensor arrays. KEY WORDS electronic skin;polydimethylsiloxane;carbon nanotubes;graphene;flexible sensor 随着医疗检测和信息技术的不断发展，电子 其是聚焦于电子皮肤新材料与新性能的综述相对 皮肤行业对被测量生物信息的范围、精度和稳定 较少.本文分析了电子皮肤新材料与传感技术，总 情况等各性能参数的要求逐步提高，对电子皮肤 结了电子皮肤新性能的最新研究进展，展望了未 的透明度、机械柔韧性、温度敏感性、生物相容性 来电子皮肤新性能的研究方向以及实现大面积、 以及自供电和自修复性等性能也提出了新要求， 低成本、多种功能电子皮肤传感器阵列的可能 而传统的结构设计与材料使用已经难以在性能上 途径 寻求突破，这些现状促进了电子皮肤行业在新材 1 电子皮肤及其传感方式 料、新结构、新性能上的进一步发展-刃 人们对电子皮肤浓厚的兴趣是源于它的潜 1.1电子皮肤 力：1)具备开发高度交互式和多功能机器人的可 皮肤是人类与环境相互作用的物理界面，使 能：2)便于显示和光学的一致性；3)能够提供仿生 我们人类感知到各种形状、纹理、温度变化以及 假体、持续的健康监测技术，甚至前所未有的诊断 不同程度的接触压力.受人类皮肤的启发，人们对 和治疗水平，从而彻底改革医疗保健现有模式？ 大面积的电子设备网络产生了兴趣，希望能在人 自20世纪90年代柔性电子材料被发现与应用后， 机交互领域、人工智能领域以及医疗健康领域有 电子皮肤在柔韧性和拉伸性方面取得了重大突 相应的研究应用.自20世纪0年代开始，科研人员 破.柔性基底的出现，真空过滤圆、旋转、喷 就对具有触感的传感器展开了研究，如Clippinger 涂o、喷墨打印山等制备技术的应用，实现了柔 等4研究了一种使用离散传感器反馈的假肢手， 韧性好、低成本、大面积、可设计的电子皮肤制 通用电气公司(GE)以红外传感器为元件，为机械 备.新世纪以来，新材料与新技术的不断涌现，进 手制造了一层敏感皮肤，使机器人手臂实现了对 一步促进了电子皮肤的性能上趋于人类皮肤，如 潜在障碍物的规避功能.由于受到当时材料限制， Lipomi等报道了一种具有可拉伸、高透明、导 研究的器件虽然在一定程度上实现了与周围环境 电性好的单壁碳纳米管喷涂的薄膜，可应用于拉 的交互，但是在模仿人类皮肤的机械特性以适应 伸电容器阵列中，该碳纳米管薄膜能在150%拉 各种运动等方面存在缺陷，即当时的器件在柔韧 伸应变下表现出高达2200Scm'的电导率.新型 性与分辨率上存在不足.因此，要制造仿真度高 电子皮肤的相关应用需要与生物界面紧密相连甚 的假肢和类人机器人就需要开发出如人类皮肤一 至植入人体内，因此对电子皮肤的生物相容性 样具有机械柔韧性与高敏感性的电子产品.直到 和生物降解性有一定要求.Lin等l)、Wang等 20世纪90年代，柔性电子材料的发现与应用，科 Bettinger和Baol町研究发现，要保证电子皮肤符合 学家尝试使用柔性材料来制备大面积、低成本、 长期使用的要求，需要对所使用的材料进行改性 可印刷的传感器薄片，电子皮肤开始往柔性仿生 使其达到人体使用的生物相容性要求，而生物降 传感器方向发展可 解性是对生物相容性的进一步发展，在使用一段 电子皮肤，即新型可穿戴柔性仿生触觉传感 时间后，电子皮肤自动降解成无毒物质经由人体 器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性称为 代谢排出体外.此外还有研究人员对电子皮肤的 电子皮肤.近年来电子皮肤的研究与应用取得了 温度敏感性以及电子皮肤实现自供电、自修复等 重要的进展，特别是在机械柔韧性与高敏感性等 性能进行了研究61，而作为电子皮肤热点与难 方面已经与人类皮肤相近门.根据张超然等2的 点的多功能集成化传感器阵列也吸引着众多研究 专利分析，目前电子皮肤主要的应用领域是对人 人员不断探索例 体血压、心率、肌肉张力等生理参数的检测以及 目前已有关于柔性可穿戴设备的多篇综述发 作为柔性触觉传感器应用在机器人手指、手臂等 表2心-2)，但涉及电子皮肤具体研究现状与应用，尤 部位，使机器人获得对外界触摸感受的能力.in terms of stretch/compressibility, biocompatibility, biodegradability, self-power, self-healing, temperature sensitivity, and multi￾functional integration. Moreover, we anticipate the future research directions of new electronic skin properties and possible ways to achieve large-area, low-cost, multi-function integrated electronic skin sensor arrays. KEY WORDS    electronic skin；polydimethylsiloxane；carbon nanotubes；graphene；flexible sensor 随着医疗检测和信息技术的不断发展，电子 皮肤行业对被测量生物信息的范围、精度和稳定 情况等各性能参数的要求逐步提高，对电子皮肤 的透明度、机械柔韧性、温度敏感性、生物相容性 以及自供电和自修复性等性能也提出了新要求， 而传统的结构设计与材料使用已经难以在性能上 寻求突破，这些现状促进了电子皮肤行业在新材 料、新结构、新性能上的进一步发展[1–7] . 人们对电子皮肤浓厚的兴趣是源于它的潜 力：1）具备开发高度交互式和多功能机器人的可 能；2）便于显示和光学的一致性；3）能够提供仿生 假体、持续的健康监测技术，甚至前所未有的诊断 和治疗水平，从而彻底改革医疗保健现有模式[7] . 自 20 世纪 90 年代柔性电子材料被发现与应用后， 电子皮肤在柔韧性和拉伸性方面取得了重大突 破 . 柔性基底的出现 ，真空过滤 [8]、旋转 [9]、 喷 涂[10]、喷墨打印[11] 等制备技术的应用，实现了柔 韧性好、低成本、大面积、可设计的电子皮肤制 备. 新世纪以来，新材料与新技术的不断涌现，进 一步促进了电子皮肤的性能上趋于人类皮肤，如 Lipomi 等[12] 报道了一种具有可拉伸、高透明、导 电性好的单壁碳纳米管喷涂的薄膜，可应用于拉 伸电容器阵列中，该碳纳米管薄膜能在 150% 拉 伸应变下表现出高达 2200 S·cm–1 的电导率. 新型 电子皮肤的相关应用需要与生物界面紧密相连甚 至植入人体内，因此对电子皮肤的生物相容性 和生物降解性有一定要求. Lin 等[13]、Wang 等[14]、 Bettinger 和 Bao[15] 研究发现，要保证电子皮肤符合 长期使用的要求，需要对所使用的材料进行改性 使其达到人体使用的生物相容性要求，而生物降 解性是对生物相容性的进一步发展，在使用一段 时间后，电子皮肤自动降解成无毒物质经由人体 代谢排出体外. 此外还有研究人员对电子皮肤的 温度敏感性以及电子皮肤实现自供电、自修复等 性能进行了研究[16– 18] ，而作为电子皮肤热点与难 点的多功能集成化传感器阵列也吸引着众多研究 人员不断探索[19] . 目前已有关于柔性可穿戴设备的多篇综述发 表[20–23] ，但涉及电子皮肤具体研究现状与应用，尤 其是聚焦于电子皮肤新材料与新性能的综述相对 较少. 本文分析了电子皮肤新材料与传感技术，总 结了电子皮肤新性能的最新研究进展，展望了未 来电子皮肤新性能的研究方向以及实现大面积、 低成本、多种功能电子皮肤传感器阵列的可能 途径. 1    电子皮肤及其传感方式 1.1    电子皮肤 皮肤是人类与环境相互作用的物理界面，使 我们人类感知到各种形状、纹理、温度变化以及 不同程度的接触压力. 受人类皮肤的启发，人们对 大面积的电子设备网络产生了兴趣，希望能在人 机交互领域、人工智能领域以及医疗健康领域有 相应的研究应用. 自 20 世纪 70 年代开始，科研人员 就对具有触感的传感器展开了研究，如 Clippinger 等[24] 研究了一种使用离散传感器反馈的假肢手， 通用电气公司（GE）以红外传感器为元件，为机械 手制造了一层敏感皮肤，使机器人手臂实现了对 潜在障碍物的规避功能. 由于受到当时材料限制， 研究的器件虽然在一定程度上实现了与周围环境 的交互，但是在模仿人类皮肤的机械特性以适应 各种运动等方面存在缺陷，即当时的器件在柔韧 性与分辨率上存在不足[25] . 因此，要制造仿真度高 的假肢和类人机器人就需要开发出如人类皮肤一 样具有机械柔韧性与高敏感性的电子产品. 直到 20 世纪 90 年代，柔性电子材料的发现与应用，科 学家尝试使用柔性材料来制备大面积、低成本、 可印刷的传感器薄片，电子皮肤开始往柔性仿生 传感器方向发展[7] . 电子皮肤，即新型可穿戴柔性仿生触觉传感 器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性称为 电子皮肤. 近年来电子皮肤的研究与应用取得了 重要的进展，特别是在机械柔韧性与高敏感性等 方面已经与人类皮肤相近[7] . 根据张超然等[26] 的 专利分析，目前电子皮肤主要的应用领域是对人 体血压、心率、肌肉张力等生理参数的检测以及 作为柔性触觉传感器应用在机器人手指、手臂等 部位，使机器人获得对外界触摸感受的能力. 万甦伟等： 电子皮肤新型材料与性能研究进展 · 705 ·