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。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)檢測溫度、濕度和壓力等因素。一般來說，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，這種簡單的疊加裝配可能會增加整體厚度并導(dǎo)致更高的制造成本。因此，一個(gè)單獨(dú)的可穿戴設(shè)備可以檢測一個(gè)以上的刺激，對于簡化處理路徑和探索更多的小型化和集成化的智能未來是非常重要的。 ? 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，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，能夠檢測壓力和應(yīng)變的單個(gè)器件可以簡化人與機(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。

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，長期穿戴會導(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。磁性吸引和納米級聚集的協(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)對生理信號和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)（手指、手腕、腳和膝蓋）的全身監(jiān)測。在小應(yīng)變（0-80%）時(shí)表現(xiàn)出7.747的高測量系數(shù)，檢測極限低至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

圖3 人機(jī)交互示意圖

由于快速反應(yīng)、長期穩(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。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)，還可以檢測皮膚上的壓力/應(yīng)變和周期性生理信號（步行壓力或呼吸頻率）?；诜侵丿B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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