研究背景

电子皮肤是一种新型的柔性可穿戴传感器，它像皮肤一样透明、柔软和薄。通过在机器人的手指和手臂上安装电子皮肤，机器人可以获得像人类皮肤一样感受外部触觉的能力。受人类皮肤的启发，许多人致力于再生触觉功能，但电子皮肤不仅需要获得触觉感知，更重要的是，它可以同时区分多种刺激，从而进一步获得多维感知。电子皮肤是未来可穿戴电子设备网络的核心，其特点包括多功能、超薄、低耗能甚至零耗能、良好的灵活性和生物相容性，这都是非常有意义的。对于多功能电子皮肤，不同类型的传感单元(如压力、湿度和温度传感器)被集成在一个灵活的基底上。然而，多个传感器和复杂的信号传输模块的整合大大增加了整个电子皮肤系统的能量消耗。虽然目前柔性电池和柔性超级电容等动力单元已经取得了很大的进步，但它们仍然带来了一系列的限制，如限制了电子皮肤的超薄性和灵活性，需要频繁充电，以及电池更换等。随着未来可穿戴设备的发展，实现具有低功耗甚至自主能量的多功能电子皮肤是实现下一代便携式和可穿戴式电子皮肤各种应用的关键。在这篇综述中，作者总结了自供电多功能电子皮肤的最新发展，结合其在生理健康、人机交互(HMI)、虚拟现实(VR)和人工智能(AI) 等领域的应用前景。这里提到的"自供电"主要有两层含义，一是指系统通过自身产生的能量实现主动零功耗传感，即传感信号的产生不消耗外部能量。另一个是指后者的测量电路和信号传输，这也实现了完全自主的电子皮肤系统。此外，作者总结了各种与电子皮肤耦合的自供电效应，以及其相应的多功能特性(如温度&压力、压力&湿度、温度&压力&光学)。最后，对自供电的多功能电子皮肤的发展和问题进行了前瞻性的总结。

成果简介

电子皮肤(e-skin) 是新一代的柔性可穿戴电子设备，具有灵活、轻薄、生物相容性等特点，具有广阔的应用前景，在未来的可穿戴电子设备中具有关键地位。随着人们对可穿戴传感器系统需求的不断增加，迫切需要实现低功耗甚至自主能源的多功能电子皮肤。苏州大学功能纳米与软物质研究院孙旭辉教授团队以“Recent progress in self-powered multifunctional e-skin for advanced applications”为题发表在Exploration期刊上。综述主要介绍了应用于生理健康、人机交互(HMI)、 虚拟现实(VR)和人工智能(AI)的多功能自供电电子皮肤的最新进展。针对多功能电子皮肤的驱动能量问题，总结了各种能量转换效果。概述了各种类型的自供电电子皮肤，包括单效应电子皮肤和多功能耦合效应电子皮肤系统，其中介绍了自供电多功能电子皮肤的材料制备、器件组装和输出信号分析等方面。最后，还讨论了该领域的现有问题和前景。

图文导读

FIGURE 1 Relationship between different energy sources and applications of self-powered multifunctional e-skin.

FIGURE 2 Response of electronic skin to mechanical energy.

FIGURE 3 Response of electronic skin to light intensity.

FIGURE 4 Response of electronic skin to light intensity.

FIGURE 5 Response of electronic skin to temperature.

FIGURE 6 Response of electronic skin to chemical energy.

FIGURE 7 Integrated self-powered electronic skin.

FIGURE 8 Piezo-triboelectric coupling affects self-powered electronic skin.

FIGURE 9 Double coupling affects electronic skin for simultaneous temperature and pressure sensing.

FIGURE 10 Piezo-biosensing coupled self-powered e-skin.

FIGURE 11 Multiple coupling effects self-powered e-skin.

FIGURE 12 Multifunctional self-powered e-skin with multiple coupling effects.

FIGURE 13 Application of self-powered electronic skin in physiological health.

FIGURE 14 Application of self-powered electronic skin in HMI.

FIGURE 15 Application of self-powered electronic skin in VR.

FIGURE 16 Application of self-powered electronic skin in AI.

总结展望

在这篇综述中，作者汇编了自供电多功能电子皮肤的最新工作，讨论了相关的能源(机械能、太阳能、电磁能、热能、化学能)和耦合技术(双重耦合和多重耦合)。与以前的自供电传感系统的综述不同，作者排除了能量和重复性有限的柔性电能储存，以及非集成电源，只是专注于自供电和自传感的多功能电子皮肤。耦合效应不仅是指能源的耦合,也是指不同自感功能的耦合。因为自供电的电子皮肤具有多种感知能力，与未来智能机器人的感知需求相匹配，可以帮助机器人执行精细的任务，如智能医疗、智能家居、紧急救援等。此外，自带动力的电子皮肤的快速发展是受到人类皮肤的启发。电子皮肤与人类皮肤之间的差距越来越小，甚至在某些方面具有人类皮肤所不具备的独特优势。例如，它在基本的触觉感知基础上，还能实时监测血压、脉搏、温度等生理参数，以及环境参数(湿度和气体等)。因此，当自供电的多功能电子皮肤与脑机接口(BCI) 相结合时，在不久的将来，它甚至可以作为残疾病人的智能皮肤来感知疼痛和健康诊断。虽然它的潜在前景可以预测，但现阶段仍有许多关键问题难以解诀。这些问题涉及到：
1）多功能电子皮肤的驱动能量。本综述中提到的自供电多功能电子皮肤主要分为低功率自供电传感和零功率自供电集成系统。自供电集成系统可以实现从信号感知到信号的无线传输,无需消耗外部能源。低功耗自供电传感技术利用采集能量主动传输传感信号，但采集能量较小，仍需要后端电路来处理和传输信号。因此，提高能量的功率和开发相应的低功耗后端电路可以提高自供电多功能电子皮肤的实用性。
2）电子皮肤的多维感知。理想的电子皮肤期望获得不亚于人类皮肤的感知能力，但在实现各种感知能力时，会带来明显的干扰。将多种能量传感效果整合到一个设备中，并通过巧妙的结构设计解诀干扰问题，可以进一步发展自供电的e-skin.
3）自带动力的多功能电子皮肤的材料选择。与人体或机器人相连的电子皮肤具有良好的灵活性。与人体的长时间接触要求其具有良好的生物相容性和透气性。此外，由于面对长期使用的老化磨损和意外损坏，新一代的电子皮肤应具有自我修复的性能。
4）自供电的多功能电子皮肤的后端电路。对于将后端电路集成到电子皮肤中的集成系统，柔性后端电路设计是保持整个系统灵活性的关键。在未来，印刷电路技术将被用来实现柔性印刷电路，以取代目前的刚性印刷电路板。此外，在驱动功率有限的情况下，低功耗的信号处理和传输电路是有意义的。在低功耗信号处理和传输电路的设计中,选择较低的电源电压、较慢的时钟频率和较小的分布电容来有效降低电路的功耗。

文献链接

Recent progress in self-powered multifunctional e-skin for advanced applications, Exploration 2022, 2, 20210112.

https://doi.org/10.1002/EXP.20210112