可穿戴的柔性电子皮肤来啦，它都有哪些功能？
原文作者：Katharine Sanderson
类人体皮肤的柔性电路为健康监测、假肢和压力感应机器人提供了选择。
说到找人对抗COVID-19，你不会第一个就想到材料科学家。但John Rogers就走上了这条路。
他领导美国西北大学的一个团队，开发能应用于健康监测的柔性类皮肤材料。有这样一种装置，它由聚合物和电路组成，通过无线蓝牙连接，可置于喉咙底部的凹处，实时监测说话、呼吸、心率和其他生命体征，或能用于需要言语治疗中风患者[1]。
打印在皮肤上的柔性电路的显微镜像；即使被拉伸，这种柔性电路仍然能工作。来源：John Rogers，伊利诺伊大学/SPL
医生想知道该装置是否可以定制来发现冠状病毒SARS-CoV-2的症状。简单来说就是“行”。目前，伊利诺伊州芝加哥市约有400个这样的装置被用来帮助发现一线卫生工作者COVID-19的早期迹象，以及监测患者的病情。Rogers的团队进一步调整了设计，以评估COVID-19患者的咳嗽频率是如何变化的。
Rogers说：“因为我们所做的COVID装置相关工作，我们中的一些人被算成为必要工作者（译注：essential workers，确保美国国家关键功能能持续运作的行业中执行各项运营及服务的工作人员），这段时期每天都在实验室工作。我一天都没停下来。”他的团队成员还在实验室里佩戴这种装置，以监测自己的症状发作。“到目前为止，什么都没发生。”他说。
Rogers是全球类皮肤可穿戴电子产品领域最多产的研究人员之一。这种“电子皮肤”技术已经应用于全球各地的志愿者身上和诊所里，比如用来帮助监测早产儿的生命体征和运动员的水合状态。另外一些电子皮肤则让机器人的接触更轻柔、更像人类。但是，无论是用于人还是用于机器人，这些装置都代表着一个重大的化学和工程挑战：电子元件通常很脆缺少柔性，而人类皮肤就像具有延展性但硬朗的帆布。
柔性屏，柔性电路
电子皮肤装置起源于电子书阅读器和曲面电视的组件，由研究导电的柔性碳基分子或聚合物的科学家研发。英国剑桥大学研究生物电子学的George Malliaras表示：“那帮有机电子研究人员原本是在研究用于显示和照明的有机发光二极管、用于显示背板和大面积电子产品的晶体管以及用于太阳能采集的光伏电池。到了某一刻，所有这些应用都将受益于柔性规格。”他说，这种柔性“在可穿戴电子产品问世时显得非常方便”。
业内取得的成功之一最早发生在2004年。东京大学的电气工程师染谷隆夫（Takao Someya）和他的团队报告说，他们开发出一块8cm×8cm的机器人皮肤，由高性能、感压聚酰胺塑料层、一种名为并五苯的有机半导体以及金、铜电极层制成。这块正方形的皮肤没有硅，包含一个32×32的小型压力传感器阵列。即使被包在一个4毫米厚的圆柱形杆上，它也允许电流不间断地流动，像一块柔软的电路板[2]。
染谷说：“我们团队将一个活动矩阵（作为柔性显示器的驱动电路而开发）提升到了下一个阶段。”它赋予了机器人从未有过的东西：从响应压力的能力到触感。
但染谷意识到，皮肤不仅仅需要柔性；它还必须具有拉伸性和顺服性，并能对轻触做出响应。2005年，他的团队解决了这一问题，他们将相对刚性的聚酰胺聚合物纺成线，再织成网。这些线在拉力作用下发生扭曲，使研究人员能够将网拉开覆盖在一个鸡蛋的表面。拉伸开的网能够感应到与橡胶块接触时鸡蛋的受力变化。向网中增加有机半导体二极管，意味着它还可以测量温度[3]。
在西北大学，Rogers采用另一种方法来应对同样的挑战。他和他的团队专注于使用坚硬的无机材料制造超薄结构，通常在纳米尺度上。2006年，研究人员想出了一种方法来制造亚微米单晶硅带，并在张力作用下将它们与一块硅橡胶薄膜（PDMS）结合在一起。当张力释放时，硅形变成起伏的波状，随着材料的形变，它可以变平（但不会断裂）[4]。Rogers说：“这是一种有机无机混合法。”
穿戴上，没感觉
Malliaras 认为，可穿戴设备面临两种类型的挑战：需要工程师解决的化学问题和需要化学家解决的工程问题。保持电极和人之间很难保持接触，因为皮肤会随着人的运动而伸展、起皱和弯曲。凝胶可以维持电极的位置，但时间不会太久，因为凝胶含水，会随着时间推移干掉。
离子液体代表了一种潜在的解决方案。离子液体由室温下呈液态的盐类构成，蒸发缓慢，易导电流。2014年，Malliaras及其团队将一种名为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯的离子液体与聚合物结合在一起，由此得到的胶体可以容纳一个金电极和导电聚合物。他们团队报告称，最终装置的电性能保持了三天[5]。
但染谷说，这种装置也可能积存汗水，阻断空气交换，造成穿戴不适。它们也很脆弱，意味着用不了太久。
一种戴在喉咙上的柔性装置可持续测量和诠释COVID-19患者的咳嗽和呼吸频率。来源：美国西北大学
为了解决这些缺陷，染谷及其团队于2017年提出了一个多孔传感器的想法，使用一种只有300-500纳米厚的柔性金纤维网[6]。他们制作了一个意大利面状的聚乙烯醇（PVA）网，在上面布下黄金电路。用水冲洗掉 PVA后，留下柔性透气、抗炎的电线阵列，用户穿戴在身上，几乎感觉不到。去年，研究小组报告说，他们使用这样一种设计，通过心脏引起的胸部振动（心震信号）来测量人类心跳——持续10个小时[7]。
“你可以整天穿戴一个装置但感觉不到。”Malliaras说。健康监测的好处是显而易见的。“这项工作的最大好处是给你的健康状况一个基线。然后，你应能够注意到基线是否开始变动，从而有望在非常早期的阶段发现疾病迹象。”
编码敏感性
加州斯坦福大学的聚合物化学家鲍哲南也在开发电子皮肤。但是，她不是先创造传感器，再使它们与皮肤兼容，而是采用了一种分子方法：从一开始就设计柔性有机聚合物和电子元件。
“我们从分子水平设计它们，皮肤状特性就成了新材料的内在特征。”她说。
这项创新的应用范围广泛。鲍哲南已经开发出一种原型装置来感知汗液中的激素变化，特别是皮质醇水平——一个重要的压力指标，有助理解焦虑和抑郁。但这项技术也可以用来制造有机电子装置放置在体内，帮助修补受损神经，并随着身体的变化而变形[8]。
“在过去的五年或十年里，我们确实能够从最初的零可用材料，变成现在这样，能用很不错的皮肤样材料去构建传统无机电子产品可以制造的每一个组件。”鲍哲南说。
鲍哲南使用一系列具有不同导电特性和生物降解性的聚合物制造材料。2010年，她和她的团队利用弹性聚合物PDMS开发出一种皮肤，可以检测压力的微小变化，模仿触觉。注入其中的一块微金字塔形材料充当电容器。发生形变时，材料的电容发生变化，而当它粘贴到有机晶体管上时，电流的变化可以被读出——相当于感应触摸或压力的电子版[9]。团队继而将该技术应用于一只手套，使之可以轻按一颗覆盆子而不压扁它。
从那时起，鲍哲南进一步拓展了上述概念，制造可以在体内工作的传感器。在2019年的一份报告中[10]，她和她的团队描述了一个无线、可生物降解的传感器，它可以包裹在血管上，持续监测术后的血液流动。为了读出信号——血液通过动脉时检测到的电容变化——研究小组在皮肤附近添加了一个外部线圈，将无线电信号传递给远程接收器。
鲍哲南说，她的目标是使这些传感器覆盖更多的身体部位，同时保持细胞级分辨率。“这里说的是几十微米的分辨率，但想象一下它们覆盖范围包括整个身体。”她说，“那对于高密度电子产品来说是极其困难的，对于传统的硅电子产品来说，那太昂贵了。”
一种柔性无线传感器用于监测新生儿重症监护病房的婴儿，没有电线缠绕，使父母更容易抱起婴儿。来源：美国西北大学
但说到电子皮肤应用，硅基和有机方法都有其各自用途，染谷说。有机电子产品适用于需要适度电子性能的大面积、低成本、一次性应用，而硅则适用于高性能、小面积应用。“有机和无机不是相互竞争，而是互补的。”染谷说。最终，他说，最成功的设计很可能是一种混合的方法，结合两组材料的优点。
获得疼痛感
和Rogers一样，澳大利亚墨尔本皇家理工大学的Madhu Bhaskaran也偏好无机方法。
作为一个从事功能材料和微系统研究的课题小组的共同负责人，Bhaskaran及其团队使用金属，如锶、钒或钛的氧化物，来开发能够感知疼痛的人造皮肤。举例来说，这种材料可以涂在假肢上。她说，金属氧化物已经广泛应用于电子产品，并具有一系列应用。但受热时，它们也会变得脆弱。
2013年，Bhaskaran团队将氧化物涂层与弹性橡胶（如硅胶或PDMS）混合起来，以创建可拉伸的电子材料[11]。这个过程并不简单。首先，研究人员在铂和硅层上制备一层薄薄的金属氧化物模型，并在高温下“退火”，使电路既透明又导电。接着，他们将模型嵌入柔软的 PDMS 中，并将其从铂基上剥离，留下透明的金属氧化物薄膜。由此产生的材料最多可拉伸15%仍保持其电性能。这要归功于金属氧化物薄膜中微小的构造板块状结构，这种结构会裂成更小的板块，发生滑动而相互覆盖，即使材料变形，电流也可以流动[11]。
去年，Bhaskaran及其同事制作的一种材料可以模拟皮肤对过度的热、压力和疼痛的反应，以及大脑对它的反应[12]。他们将柔性金-PDMS压力传感器与氧化钒温度传感器和一个基于氧化锶的组件（忆阻器）组合起来；忆阻器会“记忆”有多少电荷流经过它。随着刺激强度的增加，这些“体感”电路发出越来越大的信号。“疼痛不是刺激，而是当刺激超过阈值时我们身体的感受。”Bhaskaran说，“它是大脑对机体面临危险的一种警告机制。”
到目前为止，Bhaskaran的团队只在实验室中测试过这种材料。
技术转让
这听起来像科幻小说，但事实并非如此：一些电子皮肤产品已经投入使用。
例如，一种名为“BioStamp”的传感贴片可用于家用——通过核验被试的大量生命体征数据来助力临床试验。该贴片由Rogers 2008年在马萨诸塞州列克星敦市创立的MC10公司开发，于2018年5月获得美国食品药品管理局的批准。（MC10于2020年10月被法国临床试验公司Medidata收购。）
2019年，Rogers及其同事推出了一种橡皮膏大小的无线传感器，可用于监测新生儿重症监护病房的早产儿。它不需要各种监测用的一大团电线，使住院期间孩子父母可以抱抱自己的婴儿。
Rogers说，大约有1000台这种装置用在赞比亚、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里。同样的医院也在使用改良版监测器来评估产妇和胎儿的健康。
染谷小组于2015年在东京成立了一家名为Xenoma的分拆公司，公司将皮肤状传感器用于智能服装中，包括睡衣，这种睡衣可以监测体温，并与空调设备连接，以调整室温，或者在穿着者摔倒时向急救服务或家庭成员发出警报。
Malliaras尚未将他的离子液体技术商业化，但正计划在英国取消新冠疫情限制措施并允许他的团队返回剑桥阿登布鲁克医院以后，通过志愿者检验其他想法。
挑战
可穿戴电子不是我们戴在手腕上每日计步的装置所能比。对于真正基于皮肤的感受性而言，需要和皮肤长时间密切接触，那些刚性脆弱的商业装置还无法实现这一点。
这给材料科学家带来了一系列有趣的挑战。“如何整合所有这些材料一起工作？”Rogers问。其他问题还包括如何管理软硬材料之间的接口和机械不匹配问题，他补充说。
但染谷、Rogers、鲍哲南和其他人在这方面的努力是卓有成效的。除了Rogers在COVID-19和新生儿护理方面的工作外，他实验室的平台也应用于各种临床环境，其中有些设备用于监测囊性纤维化患者的汗液生物标志物、检查某些皮肤疾病患者的皮肤含水量以及评估黑色素瘤患者的紫外线暴露情况。他的实验室还开发了用于跟踪皮肤和假肢之间的压力和温度的可穿戴传感器。
鲍哲南认为Rogers高产得益于混合方法，因为他可以利用现有的制造方法，而鲍哲南的团队则必须开发新方法。“那需要更长的研发时间。但我们知道，那将真正改变我们的电子产品未来的样子。”她说。
无论研究人员尝试什么方法，Rogers都认为近来人们对可穿戴电子研究的兴趣大增是一个过渡点，有望推动进一步的探索。“一旦你开始形成一些真正会影响并改善患者生活的用例，”他说，“就会让更多资源有动力急剧涌入正在开展的基础研究。”
参考文献：
1.Lee, K. H. et al. Nature Biomed. Eng. 4, 148–158 (2020).
2. Someya, T. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 101, 9966–9970 (2004).
3. Someya, T. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 102, 12321–12325 (2005).
4. Khang, D.-Y., Jiang, H., Huang, Y. & Rogers, J. A. Science 311, 208–212 (2006).
5. Leleux, P. et al. Adv. Health. Mater. 3, 1377–1380 (2014).
6. Miyamoto, A. et al. Nature Nanotechnol. 12, 907–913 (2017).
7. Nayeem, M. O. G. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 117, 7063–7070 (2020).
8. Liu, Y. et al. Nature Biotechnol. 38, 1031–1036 (2020).
9. Mannsfeld, S. C. B. et al. Nature Mater. 9, 859–864 (2010).
10. Boutry, C. M. et al. Nature Biomed. Eng. 3, 47–57 (2019).
11. Gutruf, P. et al. NPG Asia Mater. 5, e62 (2013).
12. Rahman, M. A. et al. Adv. Intelligent Syst. 2, 2000094 (2020).
原文以Electronic skin: from flexibility to a sense of touch标题发表在2021年3月23日的《自然》的技术特写版块上
© nature
doi: 10.1038/d41586-021-00739-z