研究背景

电子皮肤是一个完整而复杂的传感器阵列，可感知各种环境刺激的微弱信号。最近，为了模仿人类皮肤的多功能特征，电子皮肤集成了几个传感器，能够同时检测温度、湿度和压力等因素。一般来说，材料的几种组合效应(如热电、压阻、电容)产生不同的信号是设计多功能柔性设备的最直接的方法。然而，这种简单的叠加装配可能会增加整体厚度并导致更高的制造成本。因此，一个单独的可穿戴设备可以检测一个以上的刺激，对于简化处理路径和探索更多的小型化和集成化的智能未来是非常重要的。尽管先进的数据处理技术(如机器学习)可以成功地分析和分离重叠的信号，但这种方法在很大程度上依赖于柔性传感器的精度，增加了整个系统的难度。此外，多反应柔性设备的出现从本质上决定了人机界面的巨大应用潜力，它预示着一个革命性的时代，以追求更真实和丰富多彩的互动模式。与温度或湿度传感器的整合相比，能够检测压力和应变的单个设备可以简化人与机器之间的沟通渠道，从而提高生活的便利性和质量。然而，大多数压力/应变下的输出反应遵循相同或相似的机制，这导致了电输出的重叠，甚至严重的串扰。因此，迫切需要开发一个独立的多功能传感器，能够以简单有效的方法提供关于压力和应变刺激的非重叠输出信号。

同时，防水能力、可穿戴的舒适性和良好的透气性也是电子皮肤在实际应用中的关键考虑因素。透气性对于调整人体与外部环境之间的热湿平衡和气体交换至关重要。然而，大多数报道的电子皮肤都是用不透气或有轻微毒性的高分子膜生产的，长期穿戴会导致皮肤发红、发痒和过敏。此外，在不透气的设备中，皮肤/传感器界面的汗液积累是无法避免的，这可能导致设备的故障，最终使电子皮肤与人体分离。因此，开发一个独立的透气和防水的传感器，在暴露于压力或应变刺激时能提供不重叠的信号读数，仍然有很大的需求和意义。
研究成果最近，可穿戴式传感器不仅在医疗保健监测领域引起了广泛的兴趣，而且在方便和智能的人机互动方面也引起了广泛的兴趣。然而，诸如可穿戴的舒适性、多种适用条件和机械刺激的区分等挑战还没有完全解决。在此，澳门大学Qingsong Xu、Bingpu Zhou教授团队开发了一种透气和防水的电子皮肤(E-skin)， 可以感知压力/应变的非重叠信号。磁性吸引和纳米级聚集的协同效应使电子皮肤具有透气性的微孔和超疏水性的三维微孔。在施加压力时，导电微孔的弯曲使其充分接触以降低电阻，而拉伸则由于导电材料的分离而导致电阻增加。优化后的E-皮肤在小应变(0-80%) 时表现出7.747的高测量系数，检测极限低至0.04%。三维微纤还表现出-0.0198 kPa^-1 (0-3 kPa) 的灵敏度和高达200kPa的宽广检测范围，并具有坚固性。电子皮肤可以可靠而精确地分辨出各种人体关节运动，涵盖了包括弯曲、拉伸和压力在内的广泛范围。由于读数不重叠，不同的刺激可以产生三元输入"1"、 "0"和"-1"，这扩大了逻辑输出的指令能力，如有效的莫尔斯码和直观的机器人控制。由于快速反应、长期稳定性(10000次)、 透气性和超疏水性，相信电子皮肤可以被广泛应用于从身体运动监测到人机互动的可穿戴设备，走向更方便和智能的未来。相关研究以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1. 开发了一种用于压力和应变感应的透气防水电子皮肤(E- 皮肤)，它作为一种灵活的可穿戴传感器，可以感知来自人体的不同机械刺激，并为人机界面系统产生不重叠的电信号。2. 通过系统的形态优化，提出的电子皮肤可以实现对生理信号和关节运动(手指、手腕、脚和膝盖)的全身监测。3. 当暴露在应变或压力下时，电子皮肤可以分别产生正(OR>0)和负(OR<0)的电阻变化，这种反应能力使我们能够根据压力和应变来定义可穿戴的输入终端，以实现有效的摩尔斯码通信、直观的机械臂控制和具有增强能力的逻辑数字输出。

图文导读

图 1.  器件传感示意图。

图 2. 材料的形貌表征等。

图 3. 器件性能测试表征。

图 4. 器件在身体不同部位的监测。

图 5. 人机交互示意图。

总结与展望

在这项工作中，作者报告了透气和防水的电子皮肤传感器，可以感知压力和应变的非重叠电读数。通过CNT/CB的聚集和磁场辅助的微纤毛形成的组合效应，实现了三维结构，底部基底的可控孔隙实现了透气性，分层结构实现了低粘性的超疏水表面。当压力施加到电子皮肤上时，弯曲的微纤毛增加的接触点可以使电阻降低(OR<0)， 而由于导电材料的分离，应变可以产生一个增加的电阻(OR>0)。应变感应的测量系数为7.747 (0-80%)， 压力感应的负灵敏度为-0.0198 kPa^-1 (0-3 kPa)。作为可穿戴应用的身体监测器，该装置不仅可以捕捉面部微表情和身体运动，还可以检测皮肤上的压力/应变和周期性生理信号(步行压力或呼吸频率)。基于非重叠输出，所提出的传感器被证明是一个有效和方便的终端，可 以通过莫尔斯码实现快速通信，并与机械臂实现多功能控制。与二进制系统相比，非重叠的读数使我们能够建立一个三元系统，该系统可以在减少设备数量的情况下大大拓宽互动能力。提出的电子皮肤与其他报告中的透气性、防水功能和压力/应变感应，揭示了我们提出的电子皮肤装置的整体优势。除了压力/应变监测的非重叠信号外，我们的电子皮肤同时表现出透气性和防水功能，这显示了在不同条件下的舒适穿着和可靠工作的潜力为智能的未来提供了多功能。

文献链接Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode，

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04188