简单百科
电子皮肤

电子皮肤

电子皮肤（Electronic skin）是一种模仿人类皮肤的特性以及附加功能的设备，本质上是一种仿生柔性触觉传感器系统。其结构简单，可被加工成各种形状，能像衣服一样附着在设备表面，让机器人感知到物体的地点、方位和硬度等信息，可以模拟、换取甚至取代人体皮肤。

“割肉补疮”在古代的欧洲和亚洲有近2500年的历史，在19世纪末，现代植皮手术出现。皮肤组织的损坏是不可修复性的，植皮是皮肤损坏患者唯一选择。植皮手术存在较多弊端，在各国科学家的努力下，超仿真电子皮肤模型逐渐走向成熟。随着柔性电子学的发展，新型可贴附、可穿、便携式、可折叠等柔性电子学器件的研究备受国内外关注，并逐渐成为当前重要的前沿技术。

电子皮肤一般是由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成，根据传感方式可以分为四类，即应变传感、湿度传感、温度传感和代谢物传感。当外界施加压力时，活性功能层将应变、湿度、温度等信号转换为可检测的电信号，位于功能层两侧的电极层接受并对电信号进行传输，最终信号传输到人体神经细胞，完成一次“触觉”传递过程。电子皮肤主要应用在健康监测、触觉、人机交互、生物医疗、心率脉搏检测等方面。

历史沿革

产生背景

“割肉补疮”在古代的欧洲和亚洲有近2500年的历史，因为当时的医疗水平和麻醉水平比较落后，让其更像一种刑罚。在19世纪末，现代植皮手术出现。在现代，全世界每年有近20万的患者接受皮肤移植，有超过400万的患者在有不可恢复性皮肤创伤的情况下并未接受植皮手术。

由于人类的身体存在排斥性反应，且皮肤组织的损坏是不可修复性的，所以植皮是皮肤损坏患者唯一选择。在皮肤移植手术，医生通过切取患者自身或他人皮肤进行移植修复，但对于患者来说，是十分忍受疼痛的，并且还会在患者取皮部位留下新创伤，对他们的身体和心灵造成创痕。在手术之后还会留下后遗症，如触觉减弱、免疫力下降等。因此，在各国科学家的努力下，超仿真电子皮肤模型逐渐走向成熟。

发展阶段

电子皮肤技术发展大致可分为三个阶段。

萌芽期(1980~1989年)

电子皮肤技术刚出现雏形，实用性较差，应用大都局限于机器人触觉传感器领域，少数用于生理参数检测；

瓶颈期(1990~2001年)

对电子皮肤技术进行了初步探索，并拓宽了应用领域，电子皮肤实现生理参数检测逐渐普及，受材料与技术制约，发展缓慢且无法突破技术瓶颈；

发展期(2002年以后)

随着新材料的不断涌现，电子皮肤重新成为中国外研发热点。在机器人柔性触觉传感器领域，填充材料由早期的光纤材料发展到碳纳米管和石墨烯等新型导电型材料，使电子皮肤应用产生了一个飞跃。在生理参数检测领域，由传统的简单贴附发展到将敏感材料填充到基底构成更加轻薄微型的传感器，并通过采用具有弹性的基底材料来进一步改善穿戴的舒适度和方便性。

2006年，高分辨率光学触觉传感器拟人控制手出现，2008年，出现了微结构压力传感器。2010年，超柔性有机电路、可生物降解的有机场效应晶体管、可伸缩电池等相继出现，次年，可伸展的有机发光二极管研发成功。2012年，超薄可伸缩有机光伏太阳能电池、自愈性电子皮肤互锁电子皮肤生物、可吸收硅电路等相继研发成功。

2013年，科学家们研发出了可充电可伸缩电池、可伸缩弯曲晶体管，并出现了可伸展透明的电子皮肤。2015年，出现了可植人和可生物降解的电子皮肤。2017年，心电传感和温度传感的粘性传感器研发成功，次年，科学家们研发出了高度可扩展和可整合的矩阵网络、高性能的柔性可伸缩织物生物传感器。2020年，拉伸热致变色应变传感器研发成功，并出现了全纳米纤维摩擦电纳米发电的电子皮肤、由汗液驱动的集成电子皮肤等电子皮肤。

发展现状

近年来，随着柔性电子学的发展，新型可贴附、可穿、便携式、可折叠等柔性电子学器件的研究备受国内外关注，并逐渐成为当前重要的前沿技术。中、美、日三国属于技术原创大国，韩国和欧洲地区紧随其后，在电子皮肤领域也有所建树。

国内现状

2018年，中国科学院等在多功能电子皮肤研究方面取得进展，开发了一种可直接贴附在人体皮肤的超薄高像素柔性电子皮肤阵列，设计了微米级的超薄可拉伸衬底及蛇形电击结构，实现了对人体生物信号的实时快速检测和压力分布成像。

2019年7月9日，清华大学中国科学院微电子研究所任天令教授团队在纳米领域重要期刊《美国化学学会纳米》(ACSNano)上发表了题为《一种可穿戴的类肤性高灵敏度石墨烯人工喉》的研究论文。该器件集收声和发声于一体，可直接贴附于失语者喉部，并将喉部的不同动作转化为对应声音，有望帮助失语者正常与他人“交谈”。在未来，该器件将与声纹识别、机器学习等技术结合，在语音识别、家庭医疗等领域具有广阔前景。第二代石墨烯智能人工喉(WAGT)可通过臂包穿戴在胳膊上，首次实现了石墨烯人工喉的可穿戴功能。与2017年该团队首次提出的石墨烯人工喉相比，第二代WAGT在器件柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻型可穿戴等方面有了重大突破。

2024年，南方科技大学刘玮书课题组开发出了一种具有生物仿生结构的恒温电子皮肤，通过柔性热电装置与吸湿性水凝胶复合材料的结合实现了产热与散热之间的有效平衡。相关研究成果发表在《纳米能源》上。这种恒温电子皮肤能够在不同的环境温度下将表面温度维持在舒适的范围，并且具备循环使用的能力，它还能进行力信号外物识别传感和进行健康与运动监测。

国外现状

美国国防部非常重视柔性电子技术在军事领域中的应用，美国陆军、海军也在积极推动电子皮肤在国防领域的应用研发。美军与亚利桑那州立大学合作建立的柔性显示中心(FDC)，专注于柔性电子皮肤显示屏的研发。2012年，FDC开发出了世界上最大的柔性电子皮肤彩色显示屏，一个对角线为7.4英寸长的0LED原型，满足美国国防部对全彩、全运动视频的柔性显示组件的需求；2015年，美国国防部与苹果公司、波音公司和哈佛大学等机构，共同开发柔性军用可穿戴装置。近年来，现代战争侦察打击手段不断升级，军事装备的战场生存和作战效能面临的威胁日趋加大，“伪装皮肤”成为保护已方战斗力的有效措施。

2017年，美国康奈尔大学和意大利技术研究所在陆军和空军资助下研发出一种新型皮肤，该皮肤由薄橡胶片制成，经制备后能够发冷光，橡胶片中有单独控制像素的阵列，能够使皮肤像章鱼皮肤一样发生变色，美国国防高级研究计划局的“阿特拉斯"人形机器人成为首个安装该电子皮肤的机器人，该皮肤赋予了军用机器人变色能力以融入周围环境。目前，美国陆军计划为士兵配备装配有头戴式柔性屏幕的单兵作战系统；美国空军计划使用导致皮肤柔性屏幕显示器为飞行员打造实时显示器。

2017年，康奈尔大学研究人员新开发了一种伪装皮肤，机器人可以快速从硅胶片变成3D物体，通过改变外观更好地融入到周围环境之中。具体技术为：将2D平面物体转化为3D形状。先将硅胶倒人模具中来做出皮肤的效果，用顶部的纤维网来模拟肌肉，通过激光切割出不同的形状，然后再倒上硅胶。待整个模型干燥后，就可以做出硅胶制成的网状物，如图4所示无论网状物如何被切割，硅胶都可以在充气时膨胀为3D形状。

2018年，加利福尼亚州大学开发出“动态伪装皮肤”，有望用于军事伪装及一系列需要动态调控红外辐射的应用。该技术研发思路是根据墨鱼目、章鱼等头足纲动物能通过皮肤特定细胞在可见光波段调控反射率，实时改变身体颜色和图案实现融入环境的动态伪装特点，该伪装皮肤可以逃过红外相机监测。美国斯坦福大学的鲍哲南团队继2015年在人造皮肤的“触觉”感知上取得突破后，2018年又实现重要突破，首次成功开发出可以量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列。

2019年，美国科罗拉多大学博尔德分校开发出一种新型可塑性，自我修复和完全可回收的“电子皮肤”(CUBouldere-skin，见图3)，其应用范围从机器人和假肢开发到更好的生物医学设备新的CUBouldere-skin采用嵌入式传感器，可用于测量压力、温度、度和气流。它具有特殊的性质，通过利用新型共价键合动态网络聚合物(称为聚亚胺)与银纳米粒子结合，可提供更好的机械强度、化学稳定性和导电性。聚亚胺的化学键合能够使e-skin在室温下自我修复和完全可回收。同时，新型CUBouldere-skin可以很容易地适应弯曲的表面；为了使皮肤再循环，将该装置浸泡到再循环溶液中，使聚合物降解成低聚物(聚合度通常低于10的聚合物)和可溶于乙醇的单体(可以连接在一起成为聚合物的小分子)，银纳米颗粒沉到溶液的底部。再循环的溶液和纳米粒子可用于制造新的功能性电子皮肤。鉴于全球每年产生数百万吨电子废物，该电子皮肤的可回收性具有良好的经济和环境意义。

工作原理与分类

构造与原理

基本构造

电子皮肤一般是由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。

工作原理

当外界施加压力时，活性功能层将应变、湿度、温度等信号转换为可检测的电信号，位于功能层两侧的电极层接受并对电信号进行传输，最终信号传输到人体神经细胞，完成一次“触觉”传递过程。此外，柔性基材的选择对电子皮肤有极大的影响，柔性基材可以起到承载电子皮肤并确保其与生物皮肤或其他材料相容的作用。

分类

电子皮肤是一种由传感像素组成的柔性电路矩阵，用于监测各种外部刺激，在高级人工智能领域和医学领域有巨大的应用潜力，如用于机器人和人机交互的智能皮肤，用于检测身体健康状况的可穿戴智能传感设备。电子皮肤根据传感方式可以分为四类，即应变传感、湿度传感、温度传感和代谢物传感。

关键技术

应变传感

应变传感是一种基于感受并测量物体受力变形所产生的应变的传感方式，是一种在各个领域都非常常见的传感方式。在某方面来说，应变传感也可以叫压力传感，两者并没有太大的区别，压力传感是能感受压力信号(如力的大小和受力时间的长短)，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号的一种传感方式。

应变/压力传感器是通过一些转换原理(如电容、压阻、压电和摩擦电)来检测力的变化，在这些传感器中，最常用的是压阻传感器，因为它具有设计简单、能够检测静态和动态信号等特点。

湿度传感

湿度传感器常用的工作方式为电阻抗式，通常在柔性基底上制备金属探测电极，水分含量的大小会影响检测电极之间的阻抗，通过检测阻抗大小即可获得所需的信息。在某些情况下，湿度传感器具有不与待测物体直接接触的特点，这使其成为实现远距离非接触式信号感应的重要手段。一般来说，湿度响应性通常取决于材料暴露于湿气分子的总面积，近年来开发了许多具有大比表面积的湿敏材料。然而，要实现传感器的快速响应和快速恢复，仍然需要新的湿度传感材料。

温度传感

温度传感是指能感受温度并转换成电信号输出所需的传感方式。温度是人体和外界环境交互的重要信息，精确的皮肤温度可以提供有关认知状态、心血管健康、恶性肿瘤和许多其他重要的生理方面的信息，因此能够感受温度也是电子皮肤需要的基础功能之一。热阻式的柔性温度传感器一直受到研究者的青睐，该传感器是利用热敏材料的热敏特性，将温度转化为所需要的电信号。

代谢物传感

代谢物传感是一种生物传感，主要根据人体代谢物中各种生物小分子的浓度变化和大小来反映一些问题。随着智能电子、生物领域的应用和不断发展，代谢物传感器吸引了人们的关注。葡萄糖是人体重要的代谢小分子，通过检测、控制葡萄糖的含量可以检测和预防糖尿病。

功能特性

主要功能

电子皮肤电子器件像人的皮肤一样柔软，同时拥有和皮肤一般的触觉感知能力。甚而，它还具备强于皮肤的方面，比如，帮助人类获取环境和人体中的物理化学信号，提升人类与环境或自身的交互能力。通过压力传感器，电子皮肤也可以感知物体软硬程度，借助柔性压力传感器，还可以实现对物体形状的感知。电子皮肤可被用来感知阳光中紫外线强度、湿度、磁场、物体的接近等；针对人体自身而言，电子皮肤可无创地监测体液中血糖等生理指标信息，采集脑电、肌电和心电信息等。

主要特性

可拉伸性

电子皮肤的使用环境常常是在复杂的、不平整的表面，要使电子皮肤在这样的环境下发挥良好的作用，需要其具有良好的柔软可弯曲性以及良好的拉伸性能。目前实现可拉伸性的方法主要有使用导电水凝胶等新型导电可拉伸性材料、将传统导电材料通过网格或裂纹结构使之可弯曲拉伸、其他特殊制备方法。

自愈性

人体皮肤被割伤后，在一段时间内会自然结疤恢复。对电子皮肤而言，要求传感材料被划伤或被割裂以后，在一定条件下可以恢复原有的形状并且仍然具备优异的传感功能。为了保持电子皮肤的自愈性，可以通过混合治愈剂或混合动态可逆键制备自愈材料。例如，通过金属超分子聚合物和热塑性弹性体等材料制备自愈合材料。

自供电性

因为电子皮肤是通过电信号来传递信息的，所以电源必不可少。通常使用的电池是笨重、坚硬的，很难与轻薄、柔软的电子皮肤相结合。而通过环境或人体获取能量的自供电系统驱动电子皮肤的使用既环保又便捷。自供电的方式也有多种，如机械能供电、生物燃料电池供电、纳米压电等。

集成性

电子皮肤系统的高度集成化是亟待研究的课题之一。Someya等成功地构建了基于有机晶体管的压力和热活动矩阵，其可以同时读出压力和温度的分布。Kim等制作了一种智能假肢，它可以同时感知温度、湿度和多种形式的张力。Ji等开发了一种可以同时检测葡萄糖和DL-乳酸水平的传感器，将葡萄糖和乳酸传感器组合在一起，制成一个带双通道的微流控芯片。Silva等制造的传感器件能够承受高机械变形，同时表现出极具吸引力和稳定性的电化学性能。Ding等编织的多功能纺织品集成了包括热能收集、局部触摸显示屏和光定向通信感应等功能。

生物兼容性

将电子皮肤用于医学领域及健康检测时，需要将其贴合在人体表面或植入人体来进行监测，这不仅要求电子皮肤无毒无害，还要使人体不对其产生免疫排斥，电子皮肤也需具有良好的生物相容性。谢敏随采用共价键合法制备了功能性复合纳米粒子，构建了非标记电流型免疫传感器，这种传感器为免疫分子提供了良好的生物相容的环境，具有良好的生物相容性。季文学合成了CdTe/CdS/ZnS纳米晶，利用有机脂质体膜合成了具有生物相容性的有机脂质体复合荧光纳米粒子。

应用领域

电子皮肤在健康监测、触觉、人机交互、生物医疗、心率脉搏检测等方面已有显著作用，并带来了更多的可能性。由于材料、基底、结构和器件等选择不同，所设计出的电子皮肤的类型和特性会有所不同，应用到各领域或部位所发挥的作用也会不同。

健康监测

现代医疗检测仪器不仅价格昂贵，而且检测过程复杂，许多仪器检测后不能立即得到诊断结果。但是通过电子皮肤，患者不仅可以实现无创检测，而且可以实时得到检测结果。韩国学者Jang等制作了一种新型电子皮肤微系统，它可以检测人体的各种健康数据并将数据通过无线技术传送到手机等智能设备上，使人们更加方便快捷地查看自己的身体健康数据。Han等设计了一种能够持续检测人体健康信号的轻薄且柔软的电子传感器，它可以通过检测温度和压力来对人体进行实时监测，而且该产品还配备无电池功能，可以持续供电。刘雨晴制作的多孔纸基电子皮肤可以对多种物理和化学信号做出响应，在人体健康状况追踪等方面有着巨大的应用前景。陈乐等研发的基于三明治结构的新型电子皮肤具有灵敏度高、量程宽、响应快等特性，将其应用于人体健康信号方面，更有利于医生对人体异常变化的观察，以便及时诊断疾病。Liu等制作的可穿戴电子应变传感器通过对人体电压信号变化的监测，可以推测出被检测者的坐姿。此外，将这种传感器放置在人体的膝盖上，可以实时地分析人体膝盖的运动状态，如散步、跑步、起跳等。

触觉感知

在制备过程中将性能较高的电子皮肤贴合在机器人或假肢的表面，通过温度传感器或湿度传感器感受周围环境变化，能够使机器人或者假肢拥有与人类相似的触觉。Lee等开发了一种人工神经系统，通过采用异步编码电子皮肤(ACES)，该系统能使机器人和假肢设备的触觉更优于人类的触觉，而且ACES与透明、自愈且防水的传感器皮肤层配对，能够制作出一种可以自动修复的电子皮肤。Nabar等制作的电子皮肤对其接触表面的压力变化有敏感的响应，并且这款电子皮肤可以对温度进行响应。

人机交互

将电子皮肤装饰在机器人表面，当触摸它时会立即产生信号给控制器，以实现机器人的智能感知。在智能电器上增加这样的一个人机界面，人的动作和安装传感器的设备会实现更好的互动，使人机交互设备拥有更加真实的触感。华中科技大学的周启豪等研究了基于透明柔性电极的可视化触摸感知皮肤，其将光学信号转化为测量压力信号，不仅扩大了电子皮肤的使用范围，而且极大地改善了人机交互的体验。日本理化研究所Park等制备了一种基于纳米图案化有机太阳能电池的自供能超柔性生物传感器，该传感器在长期运行中具有较高的机械和热稳定性，在人机兼顾的电子产品和人机交互领域有潜在的用途。北京科技大学的陈帅设计了一种仿生可拉伸运动记忆传感器，该传感器具有优异的应变监测性能和稳定的信息存储能力，在人机交互领域表现出巨大的应用前景。Ye等研究了基于碳材料的柔性传感器，其可以植入人体或与衣服相融合，它以柔性好、灵敏性高、更加真实的接触感觉在人机交互方面等得到了广泛的应用。

生物医疗

将电子皮肤应用于生物医疗是一项大胆的尝试，这项突破将拉开生物医疗革命的序幕，甚至有望用于治疗帕金森病及癫痫症患者。与传统的检测复杂的有线仪器相比，电子皮肤会使患者感到更加的舒适，而且不会限制使用者的活动。将电子皮肤贴在检测区域，可以提前发现发炎和伤口感染的迹象。拥有储存器的电子皮肤还可以储存病人的诊断信息，向病人提供适合的医疗方法。陈帅制作的柔性仿生电子传感器件可通过及时监测人体的呼吸深度与呼吸频率判断重危病人的人体性能，防止并发症的出现;此外，该电子皮肤还可以贴在人体胸腔和手腕处获取人体微弱的血压信号。通过对呼吸的监测还可以分析出不同人的睡眠质量，对症下药做出相应的调整，保障人体健康，这一点对新生婴儿的睡眠监测具有重要意义。谢敏随等研发的电化学葡萄糖传感器在使用时间、特性方面有了极大的提高，被广泛用于生物医疗方面。张飞飞等将通过蚕丝蛋白制成的荧光材料应用于电子皮肤，使其拥有了生物相容性和较深的组织穿透能力，将其植入生物体内能够实现组织的生物成像，这项研究在生物医疗成像方面具有很大的应用潜力。

心率脉搏监测

柔性电子器件可以通过对人体微小的脉搏变化，快速准确地检测得出诊断结果，这将会是电子皮肤在人体生理信号监测方面重要的应用支撑。Jang团队改善过的电子皮肤微系统在这个方面也有重要应用。除此之外，Cheng等利用压力传感器制作了仿人工皮肤触觉传感器，该传感器被用于手术过程中脉搏和血压的持续记录。张慧慧等将智能电子与传统服饰相结合，制备了可对人体脉搏、温度等做出迅速反应的T恤，在不断完善后，这种服饰也拥有防水、防火、防腐蚀等功能，不断地满足人们的需要。高晓月利用压电纳米复合材料所制成的电子皮肤具有高适配性和高灵敏性，在心率脉搏检测方面具有良好的应用前景。