研究背景

当今社会，可穿戴智能设备不断增多，电子皮肤，又名新型可穿戴柔性仿生触觉传感器，是贴在“皮肤”上的电子设备，因而习惯性的被称为电子皮肤，最早由美国麻省理工学院的技术人员研发出来，是一种可以让机器人产生触觉的系统，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，能够让机器人感知到物体的地点和方位以及硬度等信息。如果将电子皮肤安装到人体对应的关键部位，可以实现人体心率、血压、肌肉张力等生理参数的实时监测，改善人们健康问题。通过将电子皮肤贴附在机器人手指、手臂上，可以使得机器人获得与人体皮肤一样感受外界触摸力的能力。

从技术角度上来看，即使目前已有很多关于电子皮肤触觉传感器的研究和相关报导，但仍然没有多模式的具备所有探测功能和局部信号处理能力的人造皮肤集成技术。而从产品角度上来看，目前也不存在可被广泛使用的标准机器人皮肤产品，即使是实现最简单的触觉传感系统的产品也还未出现。

皮肤是人体最大的器官，不仅具有保护、分泌和呼吸的基本功能，而且是人类感知和交互的重要躯体感知系统。基于不同的物理感应机制，例如压阻，电容，压电和摩擦电，电子皮肤能够通过转换它们来检测和量化各种环境刺激，包括温度，湿度，压力，振动和触觉。摩擦纳米发电机是新开发的能量捕获技术，可以基于接触带电和静电感应耦合效应将机械能转换成电能，其具有成本低，结构简单，多种材料选择和高转换效率的优点，在可穿戴电源和自供电传感方面均具有广阔的应用潜力。

电子皮肤的舒适性，安全性和健康性始终被忽略，这在很大程度上限制了它们的实际应用。因此，具有舒适性和实用性的电子皮肤必须具有透气性、生物降解性和抗菌活性。透气性是调整热水分平衡，实现对人体和外部环境之间的气体交换的重要手段。但是，大多数高性能电子皮肤都将膜作为电极或基质，这可能会引起皮肤不适，甚至引起炎症和瘙痒。此外，考虑到电子皮肤是长时间与人体皮肤接触，是微生物生长的极好介质，因此抗菌特性是电子皮肤抑制细菌生长和预防细菌感染的重要性能。此外，大多数材料在使用寿命结束时可能会变成电子废物，甚至会伤害人体或污染环境。可以在规定的时间范围内运行，然后完全降解为无害成分且无任何不利的长期副作用的无毒可生物降解电子产品，将减少电子废物的产生以及对环境的影响。因此，电子皮肤的性能优化和大规模实际应用应考虑透气性、生物降解性和抗菌活性。

研究成果

通过电子皮肤（e-skin）模仿人类感知的综合功能对于人机交互和人工智能的发展很重要。迄今已经开发了一些具有高灵敏度和稳定性的电子皮肤，然而，它们的舒适性、环境友好性和抗菌活性却研究得很少。近日，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组报告了一种基于全纳米纤维摩擦纳米发电机的透气、可生物降解和抗菌的电子皮肤，该皮肤是通过将银纳米线（Ag NW）夹在聚乳酸-乙醇酸（PLGA）和聚乙烯醇（PVA）之间制成的。电子皮肤具有微米级至纳米级的分层多孔结构，具有高比表面积（用于接触带电）和大量毛细管通道（用于进行热湿传递）。通过调节Ag NW的浓度以及PVA和PLGA，可以分别调节电子皮肤的抗菌和生物降解能力。这种电子皮肤可以实现对全身生理信号和关节运动的实时自动监测。这项工作为多功能电子皮肤提供了一种以前从未探索过的策略，并具有出色的实用性！相关研究工作以“A breathable, biodegradable,antibacterial, and self-powered electronic skin based on all-nanofiber triboelectricnanogenerators”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。

图文速递

图1. 基于摩擦纳米发电机的全纳米纤维电子皮肤的结构设计和成分表征

图2.拉伸性能、透气性和电输出性能测试

整合了透气性、生物降解性和抗菌活性的全纳米纤维摩擦纳米发电机（TENG）基电子皮肤可以方便、共形地附着在表皮上。电子皮肤由三个功能层组成，包括用于接触带电和防水的顶部PLGA，用于导电电极和抗菌剂的中间Ag NW，以及用于柔性基材和皮肤接触的底部PVA。接触角为115°的疏水性PLGA可有效防止水扩散到电极上，而亲水性PVA（接触角为38°）作为芯吸层可迅速吸收人体的热量和汗水并及时扩散到外部。平均直径为167 nm的Ag NW缠结在一起，形成连续的渗滤网络，位于PVA纳米纤维的顶部，可提供具有高电导率和良好机械柔韧性的连续电子传输路径。由多层堆叠的纳米纤维网络构造的许多三维微纳米层孔隙使电子皮肤具有高柔韧性，合适的可拉伸性，大的比表面积，出色的透气性和较高的结构稳定性。此外，气体和水分子可以轻松通过纤维间的毛细管通道，以调节人体皮肤与外部环境之间微环境的热湿平衡。

图3. 抗菌活性和生物降解过程

由于电子皮肤直接放置在人体的上表皮上，因此其抗菌活性极为重要。银具有针对特定细菌、真菌和病毒的广谱杀生物特性，使其成为医疗应用中最有希望的抗菌剂。抑制区和菌落计数实验的结果表明，带有Ag NW电极的电子皮肤具有良好的抗菌性能。随着Ag NW添加剂量的增加，抗菌性能可以逐渐提高。这种电子皮肤的主要抗菌机制涉及银离子改变细胞膜的呼吸或渗透性，然后渗透入细菌，并通过与细胞蛋白质的硫醇基团相互作用以继续破坏细菌。

图4 全身监测生理信号和关节运动

人体是具有不同部位独特生理信号特征的多传感器系统。基于出色的压力敏感性和保形能力，这种电子皮肤能够以快速、实时、无创且与用户互动的方式监视各种形式的人体生理信号，以进行医学诊断和疾病预防。

结论与展望

综上所述，作者设计了一种基于纳米摩擦发电机的灵活、可拉伸、透气，可生物降解和抗菌的电子皮肤，以有效地收集机械能并监测全身生理信号。通过将Ag NW电极夹在顶部PLGA摩擦电层和底部PVA衬底之间而设计的全纳米纤维交叉网络有助于形成三维微纳孔结构，它不仅为接触带电和压力响应提供了高比表面积，而且还确保了表面皮肤微环境的热湿平衡和佩戴舒适性。由于Ag NWs的灭菌特性，因此电子皮肤具有显著的抗菌作用。这种电子皮肤在个人健康监测，患者康复和运动表现监测等领域中具有广阔的应用前景。

原文链接 https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba9624