電子皮膚是一個(gè)完整而復(fù)雜的傳感器陣列，可感知各種環(huán)境刺激的微弱信號(hào)。為了模仿人類皮膚的多功能特征，電子皮膚集成了多個(gè)傳感器，能夠同時(shí)檢測(cè)溫度、濕度和壓力等因素。一般來(lái)說(shuō)，材料的幾種組合效應(yīng)（如熱電、壓阻、電容）產(chǎn)生不同的信號(hào)是設(shè)計(jì)多功能可穿戴設(shè)備的最直接的方法。然而，這種簡(jiǎn)單的疊加裝配可能會(huì)增加整體厚度并導(dǎo)致更高的制造成本。因此，一個(gè)單獨(dú)的可穿戴設(shè)備可以檢測(cè)一個(gè)以上的刺激，對(duì)于簡(jiǎn)化處理路徑和探索更多的小型化和集成化的智能未來(lái)是非常重要的。 ? 盡管先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)）可以成功地分析和分離重疊的信號(hào)，但這種方法在很大程度上依賴于柔性傳感器的精度，增加了整個(gè)系統(tǒng)的難度。此外，多反應(yīng)柔性器件的出現(xiàn)從本質(zhì)上決定了人機(jī)界面的巨大應(yīng)用潛力，它預(yù)示著一個(gè)革命性的時(shí)代，以追求更真實(shí)和豐富多彩的互動(dòng)模式。與溫度或濕度傳感器的整合相比，能夠檢測(cè)壓力和應(yīng)變的單個(gè)器件可以簡(jiǎn)化人與機(jī)器之間的溝通渠道，從而提高生活的便利性和質(zhì)量。然而，大多數(shù)壓力/應(yīng)變下的輸出反應(yīng)遵循相同或相似的機(jī)制，這導(dǎo)致了電輸出的重疊，甚至嚴(yán)重的串?dāng)_。因此，迫切需要開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的多功能傳感器，能夠以簡(jiǎn)單有效的方法提供關(guān)于壓力和應(yīng)變刺激的非重疊輸出信號(hào)。

同時(shí)，防水能力、可穿戴的舒適性和良好的透氣性也是電子皮膚在實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵考慮因素。透氣性對(duì)于調(diào)整人體與外部環(huán)境之間的熱濕平衡和氣體交換至關(guān)重要。然而，大多數(shù)報(bào)道的電子皮膚都是用不透氣或有輕微毒性的高分子膜生產(chǎn)的，長(zhǎng)期穿戴會(huì)導(dǎo)致皮膚發(fā)紅、發(fā)癢和過敏。此外，在不透氣的設(shè)備中，皮膚/傳感器界面的汗液積累是無(wú)法避免的，這可能導(dǎo)致設(shè)備的故障，最終使電子皮膚與人體分離。因此，開發(fā)一個(gè)獨(dú)立的透氣和防水的傳感器，在暴露于壓力或應(yīng)變刺激時(shí)能提供不重疊的信號(hào)讀數(shù)，仍然有很大的需求和意義。 ? 據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，基于此，澳門大學(xué)研究人員開發(fā)了一種透氣和防水的電子皮膚（E-skin）， 可以感知壓力/應(yīng)變的非重疊信號(hào)。磁性吸引和納米級(jí)聚集的協(xié)同效應(yīng)使電子皮膚具有透氣性的微孔和超疏水性的三維微孔。在施加壓力時(shí)，導(dǎo)電微孔的彎曲使其充分接觸以降低電阻，而拉伸則由于導(dǎo)電材料的分離而導(dǎo)致電阻增加。 ?

圖1 電子皮膚傳感示意圖

經(jīng)過優(yōu)化后的E-skin可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生理信號(hào)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（手指、手腕、腳和膝蓋）的全身監(jiān)測(cè)。在小應(yīng)變（0-80%）時(shí)表現(xiàn)出7.747的高測(cè)量系數(shù)，檢測(cè)極限低至0.04%。三維微纖還表現(xiàn)出-0.0198/kPa（0-3 kPa）的靈敏度和高達(dá)200kPa的寬廣檢測(cè)范圍，并具有堅(jiān)固性。E-skin可以可靠而精確地分辨出各種人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，涵蓋了包括彎曲、拉伸和壓力在內(nèi)的廣泛范圍。由于讀數(shù)不重疊，不同的刺激可以產(chǎn)生三元輸入“1”、 “0”和“-1”，這擴(kuò)大了邏輯輸出的指令能力，如有效的莫爾斯碼和直觀的機(jī)器人控制。 ?

圖2?電子皮膚在身體不同部位的監(jiān)測(cè)

圖3 人機(jī)交互示意圖

由于快速反應(yīng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性（10000次）、透氣性和超疏水性，相信E-skin可以被廣泛應(yīng)用于從身體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)到人機(jī)互動(dòng)的可穿戴設(shè)備，走向更方便和智能的未來(lái)。相關(guān)研究以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。 ? 綜上所述，研究人員報(bào)告了一種透氣防水的電子皮膚傳感器，可以感知壓力和應(yīng)變的非重疊電讀數(shù)。作為可穿戴應(yīng)用的身體監(jiān)測(cè)器，該器件不僅可以捕捉面部微表情和身體運(yùn)動(dòng)，還可以檢測(cè)皮膚上的壓力/應(yīng)變和周期性生理信號(hào)（步行壓力或呼吸頻率）。基于非重疊輸出，所提出的傳感器被證明是一個(gè)有效和方便的終端，可以通過莫爾斯碼實(shí)現(xiàn)快速通信，并與機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)多功能控制。與二進(jìn)制系統(tǒng)相比，非重疊的讀數(shù)可以建立一個(gè)三元系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在減少設(shè)備數(shù)量的情況下大大拓寬互動(dòng)能力。除此之外，該電子皮膚同時(shí)表現(xiàn)出透氣性和防水功能，這顯示了在不同條件下的舒適穿著和可靠工作的潛力，為智能的未來(lái)提供了多功能。 ? 論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04188

編輯：黃飛

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