再生医学网认为，电子皮肤的研发将改变人类的生活和医疗的发展。
受人类皮肤启发的柔性电路为健康监测、假肢和压力传感机器人提供了选择
材料科学家并不是你认为会被卷入与新冠肺炎的斗争的第一批人。但这就是约翰·罗杰斯的遭遇。他的团队开发具有健康监测应用的柔软、有弹性的皮肤状材料。其中一种设备设计成放置在喉咙底部的凹陷里，是一种无线的蓝牙连接聚合物和电路，可以实时监测说话、呼吸、心率和其他生命体征，可以用于中风和需要语言治疗的患者。医生们想知道这种设备是否可以定制来发现冠状病毒SARS-CoV-2的症状。简短的回答是肯定的。目前，在芝加哥，约有400台这种设备被用于帮助一线卫生工作者发现新冠肺炎的早期迹象，以及用于患者的疾病监测。他的团队进一步调整了设计，以评估新冠肺炎携带者的咳嗽频率是如何变化的。
罗杰斯是全球可穿戴式皮肤电子产品最多产的研究人员之一。这种“电子皮肤”技术已经进入全球志愿者和诊所，例如，帮助监测早产儿的生命体征和运动员的水分。其他电子皮肤正在给机器人一种更轻、更像人类的触感。但无论是人类还是机器人，这些设备都代表着一个重大的化学和工程挑战：电子元件通常是易碎和僵硬的，而人类皮肤是一块可延展但困难的画布。
柔性屏幕、柔性电路
电子皮肤设备的根源在于电子书阅读器和曲面电视中的组件，这些组件是由科学家开发的柔性碳基分子或导电聚合物开发的。在某种程度上，所有这些应用程序都将受益于灵活的外形规格。这种灵活性在可穿戴电子产品走上前台时被证明是非常方便的。
该领域最早的成功之一是在2004年。东京大学电气工程师Takao Someya和他的团队报告说，他们已经开发出一种灵活的8 cm×8 cm机器人皮肤贴片，由多层高性能压敏聚酰亚胺塑料、一种名为并五苯的有机半导体以及几层金和铜电极制成。在看不到硅的情况下，广场上放置着一个32×32的微型压力传感器阵列。它还允许电流不间断地流动，即使它缠绕在一个4毫米厚的圆柱形棒上，就像一个柔软的电路板。他们将有源矩阵作为柔性显示器的驱动电路发展到了新的水平。它给机器人带来了它们从未有过的东西：对压力做出反应的能力带来的触觉。但Someya意识到，皮肤必须不仅具有弹性，还必须具有伸缩性和舒适性，并能够对轻触做出反应。2005年，他的团队破解了这个问题，将相对坚硬的聚酰亚胺聚合物纺丝成股，然后成网。在张力的作用下，线束会扭曲，研究人员可以将网拉到鸡蛋的表面上。拉伸的网能够感觉到与橡胶块接触时施加在鸡蛋上的压力变化。在网络中加入有机半导体二极管意味着它还可以测量温度。罗杰斯对同样的挑战采取了不同的方式。他和他的团队专注于用坚硬的无机材料制造超薄结构，通常是纳米级的。2006年，研究人员设计出了一种方法，设计出一种亚微米级的单晶硅条带，并在张力下将它们绑定到一张橡胶聚二甲基硅氧烷(PDMS)上。当他们释放张力时，硅会变形成起伏的波浪，当材料变形时，波浪会变平(但不会破裂)。这是一种有机-无机混合的方法。
戴上它就忘了它
保持电极和人之间的接触并不容易，因为随着人的移动，皮肤会伸展、皱纹和弯曲。凝胶可以将电极固定在适当的位置，但不会持续很长时间，因为凝胶是水的，随着时间的推移会变干。离子液体是一种可能的解决方案。离子液体由室温下呈液体的盐类制成，蒸发速度慢，能很好地传导电流。2014年，Malliaras和他的团队将一种名为1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐的离子液体与一种聚合物结合在一起。这就产生了一种可以容纳金电极和导电聚合物的凝胶。据他和他的团队报道，最终的装置保持了三天的电气性能。但这类设备也会吸收汗水，阻碍空气交换，佩戴时会让人感到刺激性。它们也是易碎的，这意味着它们不能长时间使用。为了解决这些缺点，Someya和他的团队在2017年萌生了多孔传感器的想法，使用厚度仅为300-500 nm的柔性金纤维网状物。他们纺制了一个像意大利面一样的聚乙烯醇(PVA)网状物，并在上面沉积了一个金色电路的图案。用水冲洗掉聚乙烯醇(PVA)，留下一系列柔软、透气、不发炎的电线，用户几乎看不出来他们穿的是什么。去年，该研究小组报告说，他们使用了一种这样的设计，通过它在胸部引起的振动来测量人类心脏的跳动，这种振动被称为“地震心动图”，持续了10个小时。这样人们就可以整天戴着一个设备，却忘了它就在那里，健康监测的好处是显而易见的。
加州斯坦福大学(Stanford University)的聚合物化学家Zhenan Bao也在开发电子皮肤。但她没有创造传感器，然后让它们与皮肤兼容，而是采用了分子方法：从一开始就考虑到灵活性来设计有机聚合物和电子元件。他们从分子水平设计，皮肤的特性成为新材料的固有特性。应用范围很广。他们已经开发了一种原型设备，可以感知汗液中激素的变化，特别是皮质醇的水平-这是压力的一个重要指标，可以用来帮助理解焦虑和抑郁。这项技术也可以用来制造放置在体内的有机电子设备，帮助修复受损的神经，这种神经会随着身体的变化而变形。
在过去的五年或十年里，我们真的能够从最初的零材料发展到现在，研发人员正在建造传统无机电子产品可以制造的每一个部件，但都是用很好的皮肤状材料制造的。
Zhenan Bao用一系列具有不同导电性能和生物降解性的聚合物创造了她的材料。2010年，她和她的团队开发了一种由弹性聚合物PDMS制成的皮肤，这种皮肤可以检测到压力的微小变化，以模仿触觉。一块带有微小金字塔形状的正方形材料可以作为电容器使用。当变形时，材料的电容会发生变化，当它粘贴到有机晶体管上时，电流的变化就可以读出--相当于感应触摸或压力的电子学效果。该团队继续将他们的技术制作成一种手套，可以轻轻地按在树莓上，而不会挤压它。Zhenan Bao进一步发展了这一概念，以制造可以在体内工作的传感器。在2019年的一份报告中，她和她的团队描述了一种无线的、可生物降解的传感器，这种传感器可以包裹在血管上，并在手术后持续监测血液流动。为了读出当血液脉动通过动脉时被检测到的电容变化的信号，研究小组在皮肤附近增加了一个外部线圈，将无线电信号传送到远程接收器。她的目标是让这些传感器覆盖更多的身体，同时保持细胞分辨率。高密度电子产品很难做到这一点，而且传统的硅电子产品也太贵了。对于电子皮肤应用，硅胶和基于有机的方法都有其用途。有机电子适用于需要中等电子性能的大面积、低成本、一次性应用，而硅适用于高性能、小面积的应用。归根结底，最成功的设计很可能体现了一种混合的方法，结合了这两种材料的最好之处。
在澳大利亚，RMIT University的Madhu Bhaskaran和她的团队使用金属，如锶、钒或钛的氧化物，来开发可以感知疼痛的人造皮肤。例如，这种材料可以涂覆在假肢上。金属氧化物已经在电子产品中得到了广泛的应用，并且有着广泛的应用。但它们在受热时也是易碎的。2013年，Bhaskaran的团队将氧化物涂层与硅橡胶或PDMS等弹性橡胶混合，制造出一种可拉伸的电子材料。这个过程并不简单。首先，研究人员在铂层和硅层上准备了一层薄薄的图案化金属氧化物，并在高温下对其进行“退火”，使电路既透明又导电。然后，他们将图案嵌入柔韧的PDMS中，并将其从铂金底座上剥离，留下一层透明的金属氧化物薄膜。由此产生的材料可以拉伸高达15%，但仍能保持其电学性能。这要归功于金属氧化物薄膜中微小的构造板状结构，它裂开成相互滑动的小板块，即使在材料变形的情况下也能让电流流动。去年，Bhaskaran和她的同事制造了一种材料，可以模拟皮肤对过热、压力和疼痛的反应，以及大脑对此的反应。他们将柔性的金-PDMS压力传感器与氧化钒温度传感器和一个基于氧化锶的元件结合在一起，这种元件可以“记住”流过它的电荷量，这种元件被称为忆阻器。随着刺激强度的增加，这些“体感”回路发出的信号也越来越大。到目前为止，巴斯卡兰的团队只在实验室测试了这种材料。
技术转化
如果这听起来像科幻小说，事实并非如此：一些电子皮肤产品已经在使用中。例如，一种名为BioStamp的传感贴片可以在家中使用，通过整理参与者的大量生命体征数据来帮助临床试验。该贴片由罗杰斯于2008年创立的马萨诸塞州列克星敦的MC10公司开发，于2018年5月获得美国FDA的批准。2019年，罗杰斯和他的同事们推出了一款粘贴石膏大小的无线传感器，可以用来监测新生儿重症监护病房中的早产儿。它取代了对缠绕的监控线的需要，并使父母更容易在婴儿住院期间抱着他们。在赞比亚、加纳和肯尼亚的医院，以及芝加哥的卢里儿童医院和普伦蒂斯妇女医院，大约有1000个这样的设备在使用。这些医院也在使用改良版本的监护仪来评估孕产妇和胎儿的健康状况。Someya的团队于2015年在东京成立了一家衍生公司，名为Xenoma，该公司在智能服装中使用类似皮肤的传感器。这包括睡衣，它可以监测体温，并连接到空调设备来调节房间温度，或者在穿着者摔倒时提醒紧急服务机构或家人。Malliaras还没有将他的离子液体技术商业化，但计划在英格兰大流行限制解除后在志愿者身上测试其他想法，并允许他的团队返回剑桥的Addenbrooke医院。
挑战可穿戴电子产品远远领先于我们许多人用来计算每天走了多少步的手腕设备。要获得真正的皮肤敏感度，需要长时间与皮肤亲密接触，这是这些坚硬、易碎的商用设备所不能做到的。这给材料科学家带来了一系列耐人寻味的挑战：如何让所有这些材料共同整合和协同工作的，其他问题包括如何管理硬材料和软材料之间的界面和机械不匹配。但事实证明，现有科研人员对克服这一问题的努力是卓有成效的。除了罗杰斯在新冠肺炎和新生儿护理方面的工作外，他实验室的平台还被用于各种临床环境。例如，这些设备包括监测囊性纤维化患者的汗液生物标记物，检查某些皮肤病的皮肤水合情况，以及评估黑色素瘤患者的紫外线暴露。他的实验室还开发了可穿戴传感器，可以跟踪皮肤和假肢之间的压力和温度。
Zhenan Bao认为，罗杰斯的混合方法解释了他的多产产出，因为这让他能够利用现有的制造方法。相比之下，她和她的团队不得不开发新的方法。这是一种更长期的发展。但这将真正改变我们未来电子产品的面貌。无论研究人员尝试什么方法，最近对可穿戴电子产品研究的兴趣激增是一个转折点，可能会推动进一步的探索。一旦开始建立一些真正影响和改善患者生活的用例，就会产生强大的动力，促使更多资源流入正在进行的基础研究。
（备注：部分图片源自网络。）
