電子皮膚由于其具有優異的傳感特性、力學性能和生物相容性，近年來在健康監測、人機交互等領域展現出巨大的應用潛力。本文從電子皮膚材料選擇和結構設計出發，綜述了當前電子皮膚在醫療裝備領域的應用現狀，特別是不同功能可穿戴傳感器的發展現狀和虛擬現實下電子皮膚在醫療場景的應用。最后本文對電子皮膚在可穿戴器件和醫療裝備領域所面臨的挑戰和應對策略展開討論，旨在助力電子皮膚的進一步發展。
引用本文： 趙光耀, 姚寬明, 劉一明, 黃星燦, 于欣格. 電子皮膚在健康醫療及虛擬現實中的應用. 生物醫學工程學雜志, 2023, 40(6): 1062-1070. doi: 10.7507/1001-5515.202210035 復制
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0 引言
近年來，隨著工業化、信息化、集成化的快速發展，可穿戴器件由于其具有尺寸小、質量輕、可實時檢測等優勢受到了學術界和工業界的廣泛關注。皮膚作為人體面積最大的器官，是人體感知溫度、壓力等外部刺激的橋梁，也包含大量反映人體健康狀況的生理信息。根據皮膚的功能特點，電子皮膚（electronic skin）因其具有優異的生物相容性、傳感特性和可穿戴舒適性，在健康監測相關的醫療裝備和人機交互領域得到廣泛研究[1-3]。
本文綜述了電子皮膚及其相關技術的最新研究進展，并探討了其在醫療裝備和虛擬現實領域的發展現狀。首先，本文介紹了電子皮膚在材料選擇和結構設計方面的最新進展，然后綜述了基于電子皮膚技術在健康監測領域中的應用，特別是在虛擬現實場景下的研究進展。最后對電子皮膚在生物醫學領域所面臨的挑戰和應對策略展開討論，突出其在醫療裝備和閉環人機交互中的應用潛力，以期為可穿戴傳感器用于健康實時監測和臨床護理等領域的研究提供科學依據。
1 電子皮膚技術的材料和結構要求
人體皮膚是柔性的，同樣，電子皮膚也需要一定的柔性和拉伸性，以保證其在使用過程中的穩定性。而長期的健康監測也對其生物相容性、可降解性和穿戴舒適性等提出了要求。通過對電子皮膚的材料和結構進行設計，可以大大提升電子皮膚器件工作的可拉伸性、生物相容性和可穿戴舒適性，近年來已有諸多工作在該方面取得進展。
1.1 電子皮膚可拉伸性的研究進展
電子皮膚器件經常會受到各種機械應力的刺激，如拉伸、壓縮、扭轉等。由于其在工作時需要與人體表面貼合，因此必須具備柔性和可拉伸性。目前實現電子皮膚可拉伸的方案主要分為兩大類：一類是通過材料研發，利用可拉伸的單一或者復合材料來制備電子皮膚；另一類則是通過設計特殊的結構來吸收外力作用下的應變，保證其在拉伸過程中不會斷裂。
1.1.1 材料選擇對于電子皮膚可拉伸性影響
高分子聚合物：本征可拉伸的有機高分子聚合物因其具有低成本、力學特性接近人體皮膚等優勢而被廣泛應用于電子皮膚的制備。聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚酰亞胺（polyimide，PI）等由于其具有優異的機械柔性、絕緣性和耐腐蝕性常被用作基底材料。其中，PDMS拉伸性好、透明度高、生物毒性低，是電子皮膚常見的基材和封裝材料[4]，并且可以通過等離子處理[5]等方式進行表面改性。導電高分子材料由于其兼具導電和柔性的優勢，近年來也受到了廣泛關注，如聚（3, 4-乙烯二氧噻吩）－聚苯乙烯磺酸[poly（3, 4-ethoxylene dioxy thiophene：polystyrene sulfonic acid，PEDOT：PSS）、聚吡咯、聚噻吩，離子水凝膠[6]等。
液態金屬：液態金屬具有優異的導電性和流動性，即使在拉伸下的狀態下，仍然可以實現良好的導電連接。常見的液態金屬有鎵（Ga）、汞、銣、銫等，其中鎵與銦（In）、錫（Sn）等元素形成的合金，如鎵銦合金（GaIn）[7]、鎵銦錫合金（GaInSn）[8]等具有更優的導電率及更低的毒性，在柔性電子和醫療領域得到了廣泛的應用。
納米復合材料：隨著納米合成技術的不斷發展，納米復合材料的研發及應用愈加廣泛，與傳統本征可拉伸導體不同，這類納米復合材料通常需要在彈性體中混合導電填料，如石墨烯[4, 9]、碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）、金屬納米線、納米顆粒等，形成滲流網絡來為復合材料提供導電通路。
1.1.2 結構設計對于電子皮膚可拉伸性影響
泡沫結構：多孔的泡沫材料能通過增大材料的表面粗糙度和接觸面積，來提升材料的傳感性能，目前主要通過模板法制備。Wu等[10]基于鹽模板法調整氯化鈉（NaCl）與PDMS的混合比例，得到了具有不同孔隙度的PDMS泡沫；與純PDMS薄膜相比，PDMS泡沫具有更加粗糙的表面和更加復雜的三維（three dimensional，3D）交聯結構，顯著增加了該材料的傳感性能，并且在彎曲、折疊、拉伸、扭轉條件下都具有穩定的傳感性能，如圖1a所示。
圖1
不同結構的電子皮膚設計示意圖
a. 泡沫結構PDMS材料的制備及結構示意圖[10]；b. 基于褶皺結構材料的制備及結構示意圖[5]；c. 受蹦床設計啟發得到的蛇形結構[13]；d. 蛇形線路連接圓盤結構[14]；e. 分形曲線結構[15]； f. 基于蛇形結構的電極有效工作面積與性能輸出的關系研究[17]
Figure1. Schematic design of electronic skins with different structuresa. Preparation and structure of PDMS materials with foam structure. Reprinted with permission from ref. [10] (Wu et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; b. Preparation and structure based on folded structural materials. Reprinted with permission from ref. [5] (Gao et al. 2020). Copyright 2020 Royal society of chemistry. c. Serpentine structure inspired by trampoline design. Reprinted with permission from ref. [13] (He et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; d. Disk structure with serpentine circuit connection. Reprinted with permission from ref. [14] (Liu et al. 2019). Copyright 2019 Wiley; e. Fractal curve structure. Reprinted with permission from ref. [15] (Liu et al. 2020). Copyright 2020 Elsevier; f. Study on the relationship between effective working area and performance output of electrode based on serpentine structure. Reprinted with permission from ref. [17] (Yao et al. 2020). Copyright 2020 Elsevier.
波浪結構：波浪及褶皺結構有助于材料在拉伸過程中的應力釋放。通常，要制備波浪及褶皺結構，首先需要對平面基底材料進行預拉伸，再對預拉伸的基底進行表面修飾，最后釋放預應力，便會得到負載了活性材料的波浪或褶皺結構[11]。Gao等[5]通過在正己烷處理后的預拉伸PDMS基底上噴涂銀納米線，得到了具有優異電學、光學和力學性能的柔性透明電極，透明度大于78%，方阻為18 Ω/sq，可以承受上千次彎曲、按壓和拉伸，如圖1b所示。
蛇形結構：蛇形結構作為柔性電子中常用的一種結構，可以顯著提升材料的彈性和可拉伸性[12]。He等[13]受蹦床力學設計的啟發，開發了一種輕薄柔軟、可拉伸的電子皮膚，通過砂紙進一步改善材料的微結構，得到的摩擦納米發電機在形變超過35%的條件下仍然具有穩定的傳感性能，如圖1c所示。Liu等[14]利用蛇形結構的線路連接圓盤電極，得到的電子器件在形變達到30%、76°扭轉和5 mm的彎曲狀態下都具有穩定的性能，可以很好地適配人在現實生活中的運動情況，如圖1d所示。另外，Liu等[15]采用分形曲線設計，大大提升了器件的拉伸能力。通過有限元分析，該器件在約18%的拉伸、180°的彎曲和90°的扭曲狀態下都十分穩定，足以滿足日常運動下的變形要求，可以靈敏地監測不同運動狀態下的呼吸頻率/深度，如圖1e所示。Liu等[16]利用3D微打印技術得到了一種3D蛇形結構，覆蓋金屬涂層后用于可拉伸的導電網絡，使用PDMS進行封裝，該電子皮膚器件可以實現13.8%的拉伸、160°彎曲和24°的扭轉。蛇形結構不僅對于材料的拉伸性能至關重要，其結構設計對其性能輸出也具有重要的影響。如圖1f所示，Yao等[17]首次系統評估了不同有效工作面積的蛇形結構電極與摩擦納米發電性能輸出的關系，通過有限元分析，在有效面積為51.34%時，電極的輸出性能最佳，貼附于人體皮膚上可以實時將輕觸、戳、拍打的動作轉化為電信號，且在拉伸的條件下仍具有較高性能輸出。
1.2 電子皮膚生物相容性和可降解性的研究進展
生物相容性及可降解性為電子皮膚用于可穿戴電子器件提供重要保障。電子皮膚大多貼附于皮膚等生物界面，因而需要其具有優異的生物相容性，以防產生免疫反應。同時，如果能夠將用完的電子皮膚進行無害降解，便可以從源頭上大大減少電子垃圾的產生和環境污染。近期，Huang等[18]制備了一種激光誘導石墨烯和金納米顆粒的復合電極，負載酶后得到了高性能的瞬態燃料電池，可以產生0.77 V的開路電壓和高達483.1 μW/cm2的功率密度，在體內外都具有良好的生物相容性和供電性能，并且在人體內外都可以實現降解，具有靈敏度高、安全、無污染的優勢，有助于開發更加安全、環保的醫療裝備。電刺激療法作為一種非藥物治療方式，目前已用于促進細胞、組織的增殖和功能發育。Huang等[19]提出了一種小型化、可植入、可降解的微針電子平臺，將電刺激和藥物結合，可以將藥物（如阿司匹林、布洛芬等）有效地輸送到深層組織，減少炎癥發生，促進肌肉組織再生。通過調控材料種類，該微針具有良好的生物可降解性，當浸泡在37 °C的磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffered saline，PBS）中，電子皮膚器件在1個月內溶解，7周后剩余殘留物幾乎全部消失。對該微針表面進行加工修飾，還可以進一步調整器件的使用壽命。該方案為植入式可穿戴器件用于電刺激和給藥綜合療法提供了新的解決思路。
1.3 電子皮膚可穿戴舒適性的研究進展
電子皮膚通常要與人體皮膚緊密接觸或直接貼附于人體，因此，輕薄透氣、穿戴舒適也是電子皮膚器件未來發展需要具備的重要特性。Liu等[20]通過在纖維上涂覆石墨烯得到了可集成于服裝的摩擦納米發電器件，具有出色的柔性和透氣性，可以承受超過1 000次的彎曲、拉伸和扭轉，并且在這些變形下仍然能夠保持穩定的性能輸出，在自供電傳感器、能源收集、人機界面等方面具有較大的應用潛力。Huang等[21]制備了一種可集成于服裝的汗液激活電池，可以輕易地與日常運動裝備結合，如頭帶、肘墊和膝墊等，實現了在運動時對于汗液中鈉離子（Na+）濃度、pH值和皮膚阻抗的實時監測。為提升可穿戴舒適性，另一種策略是將電子皮膚盡可能做薄，來實現與皮膚的緊密貼合，如電子皮膚紋身。Wong等[22]提出了一種基于壓阻效應的超薄電子皮膚紋身，可以在不影響用戶正常運動的情況下與皮膚緊密接觸，同時對人體脈搏和運動狀態進行監測。基于摩擦納米發電機的電子皮膚紋身，可隨意定制形狀，力學性能優異，收集的電信號不僅可以用來為其他電子器件供能，并且可以作為人機界面控制系統的信號源，實現了對模型車的遠程遙控[23]。
2 電子皮膚技術在醫療裝備的應用
隨著更多的新材料和新結構的研發，多功能電子皮膚器件在醫療裝備領域得到廣泛應用，用以監測人體的物理信號（如溫度、壓力、應變等）和化學信號（葡萄糖、乳酸等）變化。本節主要對本團隊在電子皮膚領域的應用進行總結，包括基于電子皮膚的自供能傳感器、人體動作識別及皮膚力學檢測、動態熱監測、汗液激活電池及汗液成分檢測等多個方面進行介紹。
2.1 電子皮膚在自供能傳感器的應用
隨著電子皮膚功能化、集成化快速發展，充足、穩定的能量供給對于驅動電子皮膚設備可靠、持續的運行至關重要。然而當前電子皮膚能源供應仍受制約，比如當電池過熱時，可能會發生爆炸，對人體造成傷害；或者如果體積較厚、剛度較大，則不利于電子皮膚集成，難以在發生彎曲、扭轉等機械變形下的皮膚表面穩定工作[1]。自供能電子皮膚的出現，為解決該問題提供了新的方案。當前，自供能電子皮膚的工作原理主要基于摩擦納米發電機、壓電納米發電機、汗液激活電池和生物燃料電池，而介紹相關機制及應用的綜述已經有很多[1, 3]，本文主要針對本團隊近年來在此領域的研究工作進行介紹。
Liu等[20]通過在柔性纖維上涂覆石墨烯得到一種單電極模式的摩擦納米發電型的電子皮膚，具有很好的柔韌性、透氣性和穩定性。該器件開路電壓為213.75 V，短路電流為3.11 μA，在恒定頻率和應力分別為3 Hz和5.6 kPa的條件下，該器件可以承受超過1 000次的彎曲。通過混合石墨烯、鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，PZT）和PDMS得到具有優異性能的壓電橡膠[4]，在具有優異機械性能的同時短路電流達到13.23 μA/cm2。
有關基于生物燃料電池與汗液激活電池的電子皮膚器件在本文2.4小節中進行詳細介紹。
自供能電子皮膚的出現，為電子皮膚的集成化、功能化應用的能源供給提供了解決方案。其輕薄柔軟，不僅可以收集人體在不同運動狀態、手勢動作下的能量，而且通過對不同狀態下的電信號進行分析，可以實現對人體常見生理信息如脈搏的監測，有助于人機界面的搭建和醫療裝備的發展。
2.2 機械信息與力學性能檢測
電子皮膚設備的基本功能之一是對機械信息的感知。人體運動和皮膚力學信息可以通過壓阻式、壓電式或摩擦電式傳感器獲得。目前，商用機械傳感解決方案如拉力測試儀和超聲波探頭體積龐大、結構復雜，在日常生活中使用不方便，急需一種靈活、輕便的替代品。為了實現對人體運動和觸覺信息的感知，Liu等[24]通過絲網印刷得到PZT彈性體陣列，提出了一種高通量、可拉伸的壓電式電子皮膚。這種電子皮膚可以集成在身體上進行動作識別，通過感知關節張力，并編碼成相應的動作指令，從而實現機械手的實時手勢動作跟隨，這種陣列式的電子皮膚具有較高的空間分辨率（集成器件的數量可達25個/cm2）和超高的靈敏度（180 μV/kPa），可以獲取手指觸摸等細膩的觸覺信息，如圖2a所示。之后將傳感器與致動器進行集成構建閉環人機交互系統，在手勢識別的同時，將機器手上的觸感反饋到人手上，可以實現對如氣球和不同重物的精準抓握，在人機交互方面具有巨大的應用潛力，如圖2b所示[25]。Wu等[10]通過模板法制備的泡沫狀PDMS薄膜，用于摩擦納米發電機型的電子皮膚，其開路電壓可達78.7 V，功率密度達33.75 W/m2，將該傳感器集成于手套上可以研究抓握不同物體時手掌不同部位的施力大小，如圖2c所示。Song等[26]將應變傳感器和致動器結合在一起，開發了一種用于快速表征皮膚和深層組織生物力學的小型機電系統。通過致動器振動引起的皮膚及深層組織的變形，檢測相同頻率下傳感器電阻的波動來表征應變，獲得了毫米級皮膚彈性模量的識別及其他軟組織力學性能的檢測，在運動監測和康復治療方面有很好的應用前景，如圖2d所示。
圖2
電子皮膚用于動作識別和皮膚力學檢測
a. 高通量和可伸縮的電子皮膚用于動作識別[24]；b. 電子皮膚用于物體的抓取及觸覺反饋[25]；c. 電子皮膚用于檢測手部施力情況的檢測[10]；d. 電子皮膚用于快速表征皮膚和深層組織生物力學的研究[26]
Figure2. Electronic skin for action recognition and skin mechanics detectiona. High-throughput and scalable electronic skin for action recognition. Reprinted with permission from ref.[24](Liu et al. 2020). Copyright under the license of CC BY 4.0; b. Electronic skin for object grasping and tactile feedback. Reprinted with permission from ref.[25](Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY-NC 4.0; c. Electronic skin used to detect hand force. Reprinted with permission from ref.[10](Wu et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; d. Studies on the rapid characterization of skin and deep tissue biomechanics using electronic skin. Reprinted with permission from ref.[26] (Song et al. 2021). Copyright 2021 Springer Nature
2.3 動態熱監測
人體動態熱監測對于感知人體呼吸、血液流動等健康狀態十分重要。Liu等[15]提出了一種柔軟輕便、可拉伸的熱敏呼吸傳感器。結合分形結構、熱敏電阻和超薄的柔性封裝技術，該設備在較大的機械變形下仍然可與皮膚緊密貼合，實時監測運動、小憩、長時間休息（如午睡）時的呼吸頻率和睡眠深度，在未來的呼吸診斷分析和呼吸狀態識別中具有應用潛力。此外，Park等[27]開發了一種超薄、無創、柔軟的熱傳感電子皮膚，通過密集的熱傳感器陣列來監測血管的熱特性；在體表試驗中，可以準確區分裸露的表皮和血管，并可以同時檢測血液流動方向，借助藍牙通信實現無線高通量傳感，無需特殊的成像設備即可獨立感知血管血液流動力學信息，減少了昂貴、大型的醫學成像設備的使用，為下一代便攜式即時診斷提供了新的解決方案。
2.4 汗液激活電池及人體健康監測
汗液，作為人體健康狀況識別生理標志物的重要載體之一，在可穿戴傳感器中備受關注，汗液的持續監測有利于了解人體實時的健康情況，特別是人體在運動時的健康狀況。但目前可對汗液進行分析的醫療傳感設備仍需要外部供能設備，大多為剛性且體積較大，在運動場景下使用很不方便。比色法也是一種常見汗液檢測的策略[28]，但數據難以連續記錄以及定量分析。
為搭建便攜式可穿戴汗液傳感平臺，本團隊開發了一系列汗液激活電池和生物燃料電池，通過與功能電子模塊相集成，用于智能感知汗液和人體生理指標的實時監測。如圖3a所示，Liu等[29]基于鋅（Zn）和硫酸銅（CuSO4）的化學反應提出了一種柔性的、可拉伸的Zn/CuSO4基汗液激活電池，具有較高電池容量和功率密度，足以為120個LED燈供能超過5 h，并且僅需少量的汗水 (0.04 mL/cm2) 便可以快速激活電池。一般來說，串聯4個汗液激活電池即可直接為自主開發的集成電子設備供電，通過藍牙實現無線數據傳輸，實時監測汗液中Na+、葡萄糖濃度和pH值變化。Liu等[30]通過在泡沫鎳上涂覆石墨烯得到超薄柔軟的汗液激活電池，泡沫鎳有助于增強氣體擴散，創可貼般大小的器件可產生74.4 mAh的能量容量和16.3 mW/cm2的功率密度，串聯汗液激活電池即可為可穿戴電子設備供電，實現了體溫、脈搏和血氧飽和度的實時監測，如圖3b所示。為縮小設備尺寸以更好地貼合皮膚，Huang等[21]以透氣膠帶為基底制備了一種超薄的鎂（Mg）/氧（O2）汗液激活電池，并將其貼合于運動服中，重復彎曲后仍保持穩定輸出，可為無線微電子系統連續供電3 h，來監測汗液中Na+濃度、pH值和皮膚阻抗變化，如圖3c所示。提升汗液的收集效率，同樣可以有效提升汗液激活電池的性能，Wu等[31]基于仿生微流道的設計來促進汗液的快速收集（114 μL/s），與Mg/氧化銀（Ag2O）汗液激活電池集成，可以實現高性能輸出（8.33 mAh的放電容量，122 mW/cm2的功率密度），與功能電子模塊集成后可以實現對于人體心率、血氧飽和度和體溫的實時測量，如圖3d所示。如表1所示，本文統計了近年來汗液激活電池在電極材料、輸出性能及在生物傳感領域的應用現狀，展現出其在為可穿戴傳感器供能方面具備廣闊的應用潛力。
圖3
電子皮膚用于汗液激活電池及人體健康監測
a. Zn/CuSO4基汗液激活電池[29]；b. 基于繃帶的汗液激活電池[30]；c. Mg/O2基汗液激活電池[21]；d. 基于仿生微流道的Ag2O/Mg汗液激活電池[31]
Figure3. Electronic skin for sweat activation battery and human health monitoringa. Zn/ CuSO4-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [29] (Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY 4.0; b. Bandage-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [30] (Liu et al. 2022). Copyright 2022 Elsevier; c. Mg/O2-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [21] (Huang et al. 2022). Copyright 2022 Springer Nature; d. Ag2O/Mg sweat activated battery based on biomimetic microchannel. Reprinted with permission from ref. [31] (Wu et al. 2022). Copyright 2022 Royal society of chemistry
表1
汗液激活電池的性能及應用
Table1.
Performance and application of sweat activated battery
Huang等[32]結合微流道系統與生物燃料電池，通過微流道對汗液進行收集，生物燃料電池作為供能及傳感模塊，實現了自供能汗液傳感器。乳酸檢測靈敏度為2.48 mV/mmol（R2 = 0.98），葡萄糖檢測靈敏度為0.11 mV/μmol（R 2 = 0.98），在人體不同部位（額頭、胸部和背部）均可以實現對于人體乳酸及葡萄糖濃度變化的實時測量。
3 基于電子皮膚技術的閉環人機交互/界面在醫學中的應用
隨著各類傳感器和自供能器件的研發，集成化成為研究的重點方向，并且也可減少不必要的接觸。基于電子皮膚的人機界面（human-machine interaction，HMI）可以幫助人們實現遠程感知事物，通過與一系列致動器結合來提供觸覺反饋，可以實現閉環人機交互體驗，幫助用戶在視頻通話、假肢控制、醫患護理等場景中感知觸覺信息。
2019年，Yu等[33]首次開發了一種基于無線觸覺接口的電子皮膚，通過射頻以無線方式傳遞信息并供電，通過一系列電磁致動器向皮膚提供觸覺反饋信息，只需1.75 mW的功率便可使致動器誘發觸感，用戶也可通過假肢幫助患者感知真實物體形狀以及抓取力量的大小如圖4a所示。之后，Li等[34]進一步對致動器尺寸進行優化，最終達到毫米級別，實現了在2×2 cm2范圍內3×3陣列的制備，使得觸覺反饋具有更高的分辨率，特別是在盲文識別的方面具有很大的應用潛力，如圖4b所示。另一方面，Huang 等[35]利用致動器作為汗液監測過程中的安全預警模塊，當人體生理狀態異常時可以提供振動刺激，對用戶做出提醒。Song等[26]利用致動器與應變片相結合得到一種簡單的微型機電系統，可以緊密貼合皮膚并對皮膚及其他組織的楊氏模量進行快速測量，測量深度可達8 mm，這一器件有助于快速確定如牛皮癬等相關皮膚病的病變位置。人機界面的實現也為呼吸道疾病的治療與防護提供了新的解決方案。Liu等[25]提出了一種基于電子皮膚的閉環人機界面系統，通過對整個身體的動作進行捕捉及觸覺反饋，結合視覺虛擬現實，在非接觸式生物樣本采集、傳染病患者護理等方面都具備可行性，如圖4c所示。
圖4
基于電子皮膚技術的虛擬現實場景在醫學中的應用
a. 電子皮膚用于虛擬現實及假肢觸覺反饋[33]；b. 電子皮膚器件用于盲文識別[34]；c. 閉環人機界面系統用于非接觸式生物樣本采集、傳染病患者護理[25]
Figure4. Application of virtual reality scenario based on electronic skin technology in medicinea. Electronic skin for virtual reality and prosthetic tactile feedback. Reprinted with permission from ref.[33](Yu et al. 2019). Copyright 2019 Springer Nature; b. Electronic skin for braille recognition. Reprinted with permission from ref.[34](Li et al. 2021). Copyright 2021 Springer Nature; c. Closed-loop human-machine interface system used for non-contact biological sample collection and the care of infectious disease patient. Reprinted with permission from ref.[25](Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY-NC 4.0
心血管疾病（cardiovascular diseases，CVDs）是一種致命的慢性疾病，心電圖（electrocardiogram，ECG）監測可能是早期診斷的一個突出解決方案，然而目前市面上ECG系統相對比較笨重，難以實現連續測量。基于此，Yiu等[36]通過將ECG數據采集系統集成于電子皮膚上，該系統配備的特制水凝膠具有優異的粘性（約9.9 kPa）和導電性（約6.5 kΩ），實現了ECG信號的持續監測（6.5 h）和無線傳輸（20.9 m），可以滿足大部分的日常應用；當其與致動器相連，可以實現及時的ECG信號預警，在改善心血管疾病人群的生活質量方面具有很大的潛力。
4 未來展望
近年來，隨著材料合成技術的不斷發展、信息技術的不斷進步，不同新材料（如PDMS、PZT、石墨烯、碳納米管等）和各種新技術（如3D打印、光刻等）不斷涌現，從而高性能的物理、化學傳感器的設計得以實現。基于壓電、摩擦電、生物燃料電池和汗液激活電池的自供能電子皮膚進一步提升了電子皮膚在可穿戴設備和醫療裝備中的續航能力及應用潛力。盡管通過材料合成、結構設計等手段，電子皮膚在拉伸性、穩定性、生物相容性、可降解性以及舒適性等性能改良方面已經取得較大進展，但距離實際應用還有一定距離，仍需進一步開發低成本、多功能、高性能的各類電子皮膚，相應的研究方向總結如下：
(1) 功能集成化研究
當前傳感器的功能相對單一，為增強電子皮膚的應用潛力，一方面需要將更多的傳感模塊集成，實現對于多物理、化學信號的綜合監測，更有利于疾病的綜合分析，以提升健康監測的準確性。另一方面隨著人機交互的快速發展，既應該有信號的輸出，也應該有信號的反饋。反饋模塊的集成，有助于實現健康狀態的及時預警，更有助于提升患者的用戶體驗，在醫療健康方面具有一定的應用前景。
(2) 芯片優化、算法提升
隨著電子皮膚多功能研究，更多的數據需要及時處理反饋，這就需要更強有力的芯片、算法，以實現數據快速的采集、分析，進一步提升檢測效率和準確性。
(3) 柔性電源開發
供能是電子皮膚的關鍵問題，足夠的能量、與電子皮膚匹配的結構，都是電子皮膚正常工作的前提。雖然當前已經有大量的柔性電池及自供能電子皮膚研究報道，如何進一步在保證安全性的前提下提升其功率密度和能量密度，仍然是一個亟待改善的關鍵問題。
5 總結
隨著第五代移動通信（5th generation mobile communication technology，5G）技術的快速發展，萬物互聯不再是夢想，基于電子皮膚的傳感器件也將迎來快速發展的機遇，隨著微型化、集成化、信息化的不斷推進，醫療檢測和信息技術的快速發展，低成本、多功能的電子皮膚器件將被持續開發，也將在醫療健康、虛擬現實增強等領域得到更多的應用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：趙光耀總體設計并撰寫論文、定稿；姚寬明提出研究思路及論文起草；劉一明和黃星燦負責論文最終版本修改及論文思路分析，于欣格參與論文思路分析，論文修改指導與審校。
0 引言
近年來，隨著工業化、信息化、集成化的快速發展，可穿戴器件由于其具有尺寸小、質量輕、可實時檢測等優勢受到了學術界和工業界的廣泛關注。皮膚作為人體面積最大的器官，是人體感知溫度、壓力等外部刺激的橋梁，也包含大量反映人體健康狀況的生理信息。根據皮膚的功能特點，電子皮膚（electronic skin）因其具有優異的生物相容性、傳感特性和可穿戴舒適性，在健康監測相關的醫療裝備和人機交互領域得到廣泛研究[1-3]。
本文綜述了電子皮膚及其相關技術的最新研究進展，并探討了其在醫療裝備和虛擬現實領域的發展現狀。首先，本文介紹了電子皮膚在材料選擇和結構設計方面的最新進展，然后綜述了基于電子皮膚技術在健康監測領域中的應用，特別是在虛擬現實場景下的研究進展。最后對電子皮膚在生物醫學領域所面臨的挑戰和應對策略展開討論，突出其在醫療裝備和閉環人機交互中的應用潛力，以期為可穿戴傳感器用于健康實時監測和臨床護理等領域的研究提供科學依據。
1 電子皮膚技術的材料和結構要求
人體皮膚是柔性的，同樣，電子皮膚也需要一定的柔性和拉伸性，以保證其在使用過程中的穩定性。而長期的健康監測也對其生物相容性、可降解性和穿戴舒適性等提出了要求。通過對電子皮膚的材料和結構進行設計，可以大大提升電子皮膚器件工作的可拉伸性、生物相容性和可穿戴舒適性，近年來已有諸多工作在該方面取得進展。
1.1 電子皮膚可拉伸性的研究進展
電子皮膚器件經常會受到各種機械應力的刺激，如拉伸、壓縮、扭轉等。由于其在工作時需要與人體表面貼合，因此必須具備柔性和可拉伸性。目前實現電子皮膚可拉伸的方案主要分為兩大類：一類是通過材料研發，利用可拉伸的單一或者復合材料來制備電子皮膚；另一類則是通過設計特殊的結構來吸收外力作用下的應變，保證其在拉伸過程中不會斷裂。
1.1.1 材料選擇對于電子皮膚可拉伸性影響
高分子聚合物：本征可拉伸的有機高分子聚合物因其具有低成本、力學特性接近人體皮膚等優勢而被廣泛應用于電子皮膚的制備。聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚酰亞胺（polyimide，PI）等由于其具有優異的機械柔性、絕緣性和耐腐蝕性常被用作基底材料。其中，PDMS拉伸性好、透明度高、生物毒性低，是電子皮膚常見的基材和封裝材料[4]，并且可以通過等離子處理[5]等方式進行表面改性。導電高分子材料由于其兼具導電和柔性的優勢，近年來也受到了廣泛關注，如聚（3, 4-乙烯二氧噻吩）－聚苯乙烯磺酸[poly（3, 4-ethoxylene dioxy thiophene：polystyrene sulfonic acid，PEDOT：PSS）、聚吡咯、聚噻吩，離子水凝膠[6]等。
液態金屬：液態金屬具有優異的導電性和流動性，即使在拉伸下的狀態下，仍然可以實現良好的導電連接。常見的液態金屬有鎵（Ga）、汞、銣、銫等，其中鎵與銦（In）、錫（Sn）等元素形成的合金，如鎵銦合金（GaIn）[7]、鎵銦錫合金（GaInSn）[8]等具有更優的導電率及更低的毒性，在柔性電子和醫療領域得到了廣泛的應用。
納米復合材料：隨著納米合成技術的不斷發展，納米復合材料的研發及應用愈加廣泛，與傳統本征可拉伸導體不同，這類納米復合材料通常需要在彈性體中混合導電填料，如石墨烯[4, 9]、碳納米管（carbon nanotubes，CNTs）、金屬納米線、納米顆粒等，形成滲流網絡來為復合材料提供導電通路。
1.1.2 結構設計對于電子皮膚可拉伸性影響
泡沫結構：多孔的泡沫材料能通過增大材料的表面粗糙度和接觸面積，來提升材料的傳感性能，目前主要通過模板法制備。Wu等[10]基于鹽模板法調整氯化鈉（NaCl）與PDMS的混合比例，得到了具有不同孔隙度的PDMS泡沫；與純PDMS薄膜相比，PDMS泡沫具有更加粗糙的表面和更加復雜的三維（three dimensional，3D）交聯結構，顯著增加了該材料的傳感性能，并且在彎曲、折疊、拉伸、扭轉條件下都具有穩定的傳感性能，如圖1a所示。
圖1
不同結構的電子皮膚設計示意圖
a. 泡沫結構PDMS材料的制備及結構示意圖[10]；b. 基于褶皺結構材料的制備及結構示意圖[5]；c. 受蹦床設計啟發得到的蛇形結構[13]；d. 蛇形線路連接圓盤結構[14]；e. 分形曲線結構[15]； f. 基于蛇形結構的電極有效工作面積與性能輸出的關系研究[17]
Figure1. Schematic design of electronic skins with different structuresa. Preparation and structure of PDMS materials with foam structure. Reprinted with permission from ref. [10] (Wu et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; b. Preparation and structure based on folded structural materials. Reprinted with permission from ref. [5] (Gao et al. 2020). Copyright 2020 Royal society of chemistry. c. Serpentine structure inspired by trampoline design. Reprinted with permission from ref. [13] (He et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; d. Disk structure with serpentine circuit connection. Reprinted with permission from ref. [14] (Liu et al. 2019). Copyright 2019 Wiley; e. Fractal curve structure. Reprinted with permission from ref. [15] (Liu et al. 2020). Copyright 2020 Elsevier; f. Study on the relationship between effective working area and performance output of electrode based on serpentine structure. Reprinted with permission from ref. [17] (Yao et al. 2020). Copyright 2020 Elsevier.
波浪結構：波浪及褶皺結構有助于材料在拉伸過程中的應力釋放。通常，要制備波浪及褶皺結構，首先需要對平面基底材料進行預拉伸，再對預拉伸的基底進行表面修飾，最后釋放預應力，便會得到負載了活性材料的波浪或褶皺結構[11]。Gao等[5]通過在正己烷處理后的預拉伸PDMS基底上噴涂銀納米線，得到了具有優異電學、光學和力學性能的柔性透明電極，透明度大于78%，方阻為18 Ω/sq，可以承受上千次彎曲、按壓和拉伸，如圖1b所示。
蛇形結構：蛇形結構作為柔性電子中常用的一種結構，可以顯著提升材料的彈性和可拉伸性[12]。He等[13]受蹦床力學設計的啟發，開發了一種輕薄柔軟、可拉伸的電子皮膚，通過砂紙進一步改善材料的微結構，得到的摩擦納米發電機在形變超過35%的條件下仍然具有穩定的傳感性能，如圖1c所示。Liu等[14]利用蛇形結構的線路連接圓盤電極，得到的電子器件在形變達到30%、76°扭轉和5 mm的彎曲狀態下都具有穩定的性能，可以很好地適配人在現實生活中的運動情況，如圖1d所示。另外，Liu等[15]采用分形曲線設計，大大提升了器件的拉伸能力。通過有限元分析，該器件在約18%的拉伸、180°的彎曲和90°的扭曲狀態下都十分穩定，足以滿足日常運動下的變形要求，可以靈敏地監測不同運動狀態下的呼吸頻率/深度，如圖1e所示。Liu等[16]利用3D微打印技術得到了一種3D蛇形結構，覆蓋金屬涂層后用于可拉伸的導電網絡，使用PDMS進行封裝，該電子皮膚器件可以實現13.8%的拉伸、160°彎曲和24°的扭轉。蛇形結構不僅對于材料的拉伸性能至關重要，其結構設計對其性能輸出也具有重要的影響。如圖1f所示，Yao等[17]首次系統評估了不同有效工作面積的蛇形結構電極與摩擦納米發電性能輸出的關系，通過有限元分析，在有效面積為51.34%時，電極的輸出性能最佳，貼附于人體皮膚上可以實時將輕觸、戳、拍打的動作轉化為電信號，且在拉伸的條件下仍具有較高性能輸出。
1.2 電子皮膚生物相容性和可降解性的研究進展
生物相容性及可降解性為電子皮膚用于可穿戴電子器件提供重要保障。電子皮膚大多貼附于皮膚等生物界面，因而需要其具有優異的生物相容性，以防產生免疫反應。同時，如果能夠將用完的電子皮膚進行無害降解，便可以從源頭上大大減少電子垃圾的產生和環境污染。近期，Huang等[18]制備了一種激光誘導石墨烯和金納米顆粒的復合電極，負載酶后得到了高性能的瞬態燃料電池，可以產生0.77 V的開路電壓和高達483.1 μW/cm2的功率密度，在體內外都具有良好的生物相容性和供電性能，并且在人體內外都可以實現降解，具有靈敏度高、安全、無污染的優勢，有助于開發更加安全、環保的醫療裝備。電刺激療法作為一種非藥物治療方式，目前已用于促進細胞、組織的增殖和功能發育。Huang等[19]提出了一種小型化、可植入、可降解的微針電子平臺，將電刺激和藥物結合，可以將藥物（如阿司匹林、布洛芬等）有效地輸送到深層組織，減少炎癥發生，促進肌肉組織再生。通過調控材料種類，該微針具有良好的生物可降解性，當浸泡在37 °C的磷酸緩沖鹽溶液（phosphate buffered saline，PBS）中，電子皮膚器件在1個月內溶解，7周后剩余殘留物幾乎全部消失。對該微針表面進行加工修飾，還可以進一步調整器件的使用壽命。該方案為植入式可穿戴器件用于電刺激和給藥綜合療法提供了新的解決思路。
1.3 電子皮膚可穿戴舒適性的研究進展
電子皮膚通常要與人體皮膚緊密接觸或直接貼附于人體，因此，輕薄透氣、穿戴舒適也是電子皮膚器件未來發展需要具備的重要特性。Liu等[20]通過在纖維上涂覆石墨烯得到了可集成于服裝的摩擦納米發電器件，具有出色的柔性和透氣性，可以承受超過1 000次的彎曲、拉伸和扭轉，并且在這些變形下仍然能夠保持穩定的性能輸出，在自供電傳感器、能源收集、人機界面等方面具有較大的應用潛力。Huang等[21]制備了一種可集成于服裝的汗液激活電池，可以輕易地與日常運動裝備結合，如頭帶、肘墊和膝墊等，實現了在運動時對于汗液中鈉離子（Na+）濃度、pH值和皮膚阻抗的實時監測。為提升可穿戴舒適性，另一種策略是將電子皮膚盡可能做薄，來實現與皮膚的緊密貼合，如電子皮膚紋身。Wong等[22]提出了一種基于壓阻效應的超薄電子皮膚紋身，可以在不影響用戶正常運動的情況下與皮膚緊密接觸，同時對人體脈搏和運動狀態進行監測。基于摩擦納米發電機的電子皮膚紋身，可隨意定制形狀，力學性能優異，收集的電信號不僅可以用來為其他電子器件供能，并且可以作為人機界面控制系統的信號源，實現了對模型車的遠程遙控[23]。
2 電子皮膚技術在醫療裝備的應用
隨著更多的新材料和新結構的研發，多功能電子皮膚器件在醫療裝備領域得到廣泛應用，用以監測人體的物理信號（如溫度、壓力、應變等）和化學信號（葡萄糖、乳酸等）變化。本節主要對本團隊在電子皮膚領域的應用進行總結，包括基于電子皮膚的自供能傳感器、人體動作識別及皮膚力學檢測、動態熱監測、汗液激活電池及汗液成分檢測等多個方面進行介紹。
2.1 電子皮膚在自供能傳感器的應用
隨著電子皮膚功能化、集成化快速發展，充足、穩定的能量供給對于驅動電子皮膚設備可靠、持續的運行至關重要。然而當前電子皮膚能源供應仍受制約，比如當電池過熱時，可能會發生爆炸，對人體造成傷害；或者如果體積較厚、剛度較大，則不利于電子皮膚集成，難以在發生彎曲、扭轉等機械變形下的皮膚表面穩定工作[1]。自供能電子皮膚的出現，為解決該問題提供了新的方案。當前，自供能電子皮膚的工作原理主要基于摩擦納米發電機、壓電納米發電機、汗液激活電池和生物燃料電池，而介紹相關機制及應用的綜述已經有很多[1, 3]，本文主要針對本團隊近年來在此領域的研究工作進行介紹。
Liu等[20]通過在柔性纖維上涂覆石墨烯得到一種單電極模式的摩擦納米發電型的電子皮膚，具有很好的柔韌性、透氣性和穩定性。該器件開路電壓為213.75 V，短路電流為3.11 μA，在恒定頻率和應力分別為3 Hz和5.6 kPa的條件下，該器件可以承受超過1 000次的彎曲。通過混合石墨烯、鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，PZT）和PDMS得到具有優異性能的壓電橡膠[4]，在具有優異機械性能的同時短路電流達到13.23 μA/cm2。
有關基于生物燃料電池與汗液激活電池的電子皮膚器件在本文2.4小節中進行詳細介紹。
自供能電子皮膚的出現，為電子皮膚的集成化、功能化應用的能源供給提供了解決方案。其輕薄柔軟，不僅可以收集人體在不同運動狀態、手勢動作下的能量，而且通過對不同狀態下的電信號進行分析，可以實現對人體常見生理信息如脈搏的監測，有助于人機界面的搭建和醫療裝備的發展。
2.2 機械信息與力學性能檢測
電子皮膚設備的基本功能之一是對機械信息的感知。人體運動和皮膚力學信息可以通過壓阻式、壓電式或摩擦電式傳感器獲得。目前，商用機械傳感解決方案如拉力測試儀和超聲波探頭體積龐大、結構復雜，在日常生活中使用不方便，急需一種靈活、輕便的替代品。為了實現對人體運動和觸覺信息的感知，Liu等[24]通過絲網印刷得到PZT彈性體陣列，提出了一種高通量、可拉伸的壓電式電子皮膚。這種電子皮膚可以集成在身體上進行動作識別，通過感知關節張力，并編碼成相應的動作指令，從而實現機械手的實時手勢動作跟隨，這種陣列式的電子皮膚具有較高的空間分辨率（集成器件的數量可達25個/cm2）和超高的靈敏度（180 μV/kPa），可以獲取手指觸摸等細膩的觸覺信息，如圖2a所示。之后將傳感器與致動器進行集成構建閉環人機交互系統，在手勢識別的同時，將機器手上的觸感反饋到人手上，可以實現對如氣球和不同重物的精準抓握，在人機交互方面具有巨大的應用潛力，如圖2b所示[25]。Wu等[10]通過模板法制備的泡沫狀PDMS薄膜，用于摩擦納米發電機型的電子皮膚，其開路電壓可達78.7 V，功率密度達33.75 W/m2，將該傳感器集成于手套上可以研究抓握不同物體時手掌不同部位的施力大小，如圖2c所示。Song等[26]將應變傳感器和致動器結合在一起，開發了一種用于快速表征皮膚和深層組織生物力學的小型機電系統。通過致動器振動引起的皮膚及深層組織的變形，檢測相同頻率下傳感器電阻的波動來表征應變，獲得了毫米級皮膚彈性模量的識別及其他軟組織力學性能的檢測，在運動監測和康復治療方面有很好的應用前景，如圖2d所示。
圖2
電子皮膚用于動作識別和皮膚力學檢測
a. 高通量和可伸縮的電子皮膚用于動作識別[24]；b. 電子皮膚用于物體的抓取及觸覺反饋[25]；c. 電子皮膚用于檢測手部施力情況的檢測[10]；d. 電子皮膚用于快速表征皮膚和深層組織生物力學的研究[26]
Figure2. Electronic skin for action recognition and skin mechanics detectiona. High-throughput and scalable electronic skin for action recognition. Reprinted with permission from ref.[24](Liu et al. 2020). Copyright under the license of CC BY 4.0; b. Electronic skin for object grasping and tactile feedback. Reprinted with permission from ref.[25](Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY-NC 4.0; c. Electronic skin used to detect hand force. Reprinted with permission from ref.[10](Wu et al. 2021). Copyright 2021 Elsevier; d. Studies on the rapid characterization of skin and deep tissue biomechanics using electronic skin. Reprinted with permission from ref.[26] (Song et al. 2021). Copyright 2021 Springer Nature
2.3 動態熱監測
人體動態熱監測對于感知人體呼吸、血液流動等健康狀態十分重要。Liu等[15]提出了一種柔軟輕便、可拉伸的熱敏呼吸傳感器。結合分形結構、熱敏電阻和超薄的柔性封裝技術，該設備在較大的機械變形下仍然可與皮膚緊密貼合，實時監測運動、小憩、長時間休息（如午睡）時的呼吸頻率和睡眠深度，在未來的呼吸診斷分析和呼吸狀態識別中具有應用潛力。此外，Park等[27]開發了一種超薄、無創、柔軟的熱傳感電子皮膚，通過密集的熱傳感器陣列來監測血管的熱特性；在體表試驗中，可以準確區分裸露的表皮和血管，并可以同時檢測血液流動方向，借助藍牙通信實現無線高通量傳感，無需特殊的成像設備即可獨立感知血管血液流動力學信息，減少了昂貴、大型的醫學成像設備的使用，為下一代便攜式即時診斷提供了新的解決方案。
2.4 汗液激活電池及人體健康監測
汗液，作為人體健康狀況識別生理標志物的重要載體之一，在可穿戴傳感器中備受關注，汗液的持續監測有利于了解人體實時的健康情況，特別是人體在運動時的健康狀況。但目前可對汗液進行分析的醫療傳感設備仍需要外部供能設備，大多為剛性且體積較大，在運動場景下使用很不方便。比色法也是一種常見汗液檢測的策略[28]，但數據難以連續記錄以及定量分析。
為搭建便攜式可穿戴汗液傳感平臺，本團隊開發了一系列汗液激活電池和生物燃料電池，通過與功能電子模塊相集成，用于智能感知汗液和人體生理指標的實時監測。如圖3a所示，Liu等[29]基于鋅（Zn）和硫酸銅（CuSO4）的化學反應提出了一種柔性的、可拉伸的Zn/CuSO4基汗液激活電池，具有較高電池容量和功率密度，足以為120個LED燈供能超過5 h，并且僅需少量的汗水 (0.04 mL/cm2) 便可以快速激活電池。一般來說，串聯4個汗液激活電池即可直接為自主開發的集成電子設備供電，通過藍牙實現無線數據傳輸，實時監測汗液中Na+、葡萄糖濃度和pH值變化。Liu等[30]通過在泡沫鎳上涂覆石墨烯得到超薄柔軟的汗液激活電池，泡沫鎳有助于增強氣體擴散，創可貼般大小的器件可產生74.4 mAh的能量容量和16.3 mW/cm2的功率密度，串聯汗液激活電池即可為可穿戴電子設備供電，實現了體溫、脈搏和血氧飽和度的實時監測，如圖3b所示。為縮小設備尺寸以更好地貼合皮膚，Huang等[21]以透氣膠帶為基底制備了一種超薄的鎂（Mg）/氧（O2）汗液激活電池，并將其貼合于運動服中，重復彎曲后仍保持穩定輸出，可為無線微電子系統連續供電3 h，來監測汗液中Na+濃度、pH值和皮膚阻抗變化，如圖3c所示。提升汗液的收集效率，同樣可以有效提升汗液激活電池的性能，Wu等[31]基于仿生微流道的設計來促進汗液的快速收集（114 μL/s），與Mg/氧化銀（Ag2O）汗液激活電池集成，可以實現高性能輸出（8.33 mAh的放電容量，122 mW/cm2的功率密度），與功能電子模塊集成后可以實現對于人體心率、血氧飽和度和體溫的實時測量，如圖3d所示。如表1所示，本文統計了近年來汗液激活電池在電極材料、輸出性能及在生物傳感領域的應用現狀，展現出其在為可穿戴傳感器供能方面具備廣闊的應用潛力。
圖3
電子皮膚用于汗液激活電池及人體健康監測
a. Zn/CuSO4基汗液激活電池[29]；b. 基于繃帶的汗液激活電池[30]；c. Mg/O2基汗液激活電池[21]；d. 基于仿生微流道的Ag2O/Mg汗液激活電池[31]
Figure3. Electronic skin for sweat activation battery and human health monitoringa. Zn/ CuSO4-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [29] (Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY 4.0; b. Bandage-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [30] (Liu et al. 2022). Copyright 2022 Elsevier; c. Mg/O2-based sweat activated battery. Reprinted with permission from ref. [21] (Huang et al. 2022). Copyright 2022 Springer Nature; d. Ag2O/Mg sweat activated battery based on biomimetic microchannel. Reprinted with permission from ref. [31] (Wu et al. 2022). Copyright 2022 Royal society of chemistry
表1
汗液激活電池的性能及應用
Table1.
Performance and application of sweat activated battery
Huang等[32]結合微流道系統與生物燃料電池，通過微流道對汗液進行收集，生物燃料電池作為供能及傳感模塊，實現了自供能汗液傳感器。乳酸檢測靈敏度為2.48 mV/mmol（R2 = 0.98），葡萄糖檢測靈敏度為0.11 mV/μmol（R 2 = 0.98），在人體不同部位（額頭、胸部和背部）均可以實現對于人體乳酸及葡萄糖濃度變化的實時測量。
3 基于電子皮膚技術的閉環人機交互/界面在醫學中的應用
隨著各類傳感器和自供能器件的研發，集成化成為研究的重點方向，并且也可減少不必要的接觸。基于電子皮膚的人機界面（human-machine interaction，HMI）可以幫助人們實現遠程感知事物，通過與一系列致動器結合來提供觸覺反饋，可以實現閉環人機交互體驗，幫助用戶在視頻通話、假肢控制、醫患護理等場景中感知觸覺信息。
2019年，Yu等[33]首次開發了一種基于無線觸覺接口的電子皮膚，通過射頻以無線方式傳遞信息并供電，通過一系列電磁致動器向皮膚提供觸覺反饋信息，只需1.75 mW的功率便可使致動器誘發觸感，用戶也可通過假肢幫助患者感知真實物體形狀以及抓取力量的大小如圖4a所示。之后，Li等[34]進一步對致動器尺寸進行優化，最終達到毫米級別，實現了在2×2 cm2范圍內3×3陣列的制備，使得觸覺反饋具有更高的分辨率，特別是在盲文識別的方面具有很大的應用潛力，如圖4b所示。另一方面，Huang 等[35]利用致動器作為汗液監測過程中的安全預警模塊，當人體生理狀態異常時可以提供振動刺激，對用戶做出提醒。Song等[26]利用致動器與應變片相結合得到一種簡單的微型機電系統，可以緊密貼合皮膚并對皮膚及其他組織的楊氏模量進行快速測量，測量深度可達8 mm，這一器件有助于快速確定如牛皮癬等相關皮膚病的病變位置。人機界面的實現也為呼吸道疾病的治療與防護提供了新的解決方案。Liu等[25]提出了一種基于電子皮膚的閉環人機界面系統，通過對整個身體的動作進行捕捉及觸覺反饋，結合視覺虛擬現實，在非接觸式生物樣本采集、傳染病患者護理等方面都具備可行性，如圖4c所示。
圖4
基于電子皮膚技術的虛擬現實場景在醫學中的應用
a. 電子皮膚用于虛擬現實及假肢觸覺反饋[33]；b. 電子皮膚器件用于盲文識別[34]；c. 閉環人機界面系統用于非接觸式生物樣本采集、傳染病患者護理[25]
Figure4. Application of virtual reality scenario based on electronic skin technology in medicinea. Electronic skin for virtual reality and prosthetic tactile feedback. Reprinted with permission from ref.[33](Yu et al. 2019). Copyright 2019 Springer Nature; b. Electronic skin for braille recognition. Reprinted with permission from ref.[34](Li et al. 2021). Copyright 2021 Springer Nature; c. Closed-loop human-machine interface system used for non-contact biological sample collection and the care of infectious disease patient. Reprinted with permission from ref.[25](Liu et al. 2022). Copyright under the license of CC BY-NC 4.0
心血管疾病（cardiovascular diseases，CVDs）是一種致命的慢性疾病，心電圖（electrocardiogram，ECG）監測可能是早期診斷的一個突出解決方案，然而目前市面上ECG系統相對比較笨重，難以實現連續測量。基于此，Yiu等[36]通過將ECG數據采集系統集成于電子皮膚上，該系統配備的特制水凝膠具有優異的粘性（約9.9 kPa）和導電性（約6.5 kΩ），實現了ECG信號的持續監測（6.5 h）和無線傳輸（20.9 m），可以滿足大部分的日常應用；當其與致動器相連，可以實現及時的ECG信號預警，在改善心血管疾病人群的生活質量方面具有很大的潛力。
4 未來展望
近年來，隨著材料合成技術的不斷發展、信息技術的不斷進步，不同新材料（如PDMS、PZT、石墨烯、碳納米管等）和各種新技術（如3D打印、光刻等）不斷涌現，從而高性能的物理、化學傳感器的設計得以實現。基于壓電、摩擦電、生物燃料電池和汗液激活電池的自供能電子皮膚進一步提升了電子皮膚在可穿戴設備和醫療裝備中的續航能力及應用潛力。盡管通過材料合成、結構設計等手段，電子皮膚在拉伸性、穩定性、生物相容性、可降解性以及舒適性等性能改良方面已經取得較大進展，但距離實際應用還有一定距離，仍需進一步開發低成本、多功能、高性能的各類電子皮膚，相應的研究方向總結如下：
(1) 功能集成化研究
當前傳感器的功能相對單一，為增強電子皮膚的應用潛力，一方面需要將更多的傳感模塊集成，實現對于多物理、化學信號的綜合監測，更有利于疾病的綜合分析，以提升健康監測的準確性。另一方面隨著人機交互的快速發展，既應該有信號的輸出，也應該有信號的反饋。反饋模塊的集成，有助于實現健康狀態的及時預警，更有助于提升患者的用戶體驗，在醫療健康方面具有一定的應用前景。
(2) 芯片優化、算法提升
隨著電子皮膚多功能研究，更多的數據需要及時處理反饋，這就需要更強有力的芯片、算法，以實現數據快速的采集、分析，進一步提升檢測效率和準確性。
(3) 柔性電源開發
供能是電子皮膚的關鍵問題，足夠的能量、與電子皮膚匹配的結構，都是電子皮膚正常工作的前提。雖然當前已經有大量的柔性電池及自供能電子皮膚研究報道，如何進一步在保證安全性的前提下提升其功率密度和能量密度，仍然是一個亟待改善的關鍵問題。
5 總結
隨著第五代移動通信（5th generation mobile communication technology，5G）技術的快速發展，萬物互聯不再是夢想，基于電子皮膚的傳感器件也將迎來快速發展的機遇，隨著微型化、集成化、信息化的不斷推進，醫療檢測和信息技術的快速發展，低成本、多功能的電子皮膚器件將被持續開發，也將在醫療健康、虛擬現實增強等領域得到更多的應用。
重要聲明
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
作者貢獻聲明：趙光耀總體設計并撰寫論文、定稿；姚寬明提出研究思路及論文起草；劉一明和黃星燦負責論文最終版本修改及論文思路分析，于欣格參與論文思路分析，論文修改指導與審校。
