基于皮革的電子皮膚設計原理示意圖
生命體總能進化出各種復雜、精細的結構來實現(xiàn)特定的功能，皮膚就是這類杰作中的代表之一，它不僅是人體的天然屏障，也是感知外界環(huán)境變化的門戶。
但在生活中，人體不可避免地會受到外傷進而在不同程度上損壞皮膚，因此，人工皮膚在前期的肢體保護和后期的仿真修復過程中都具有重要的現(xiàn)實意義。
電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。近日，國際著名期刊Advanced Science報道了中國團隊研發(fā)的一種制備簡單、可設計性強的皮革基底上的電子皮膚，它結合了皮革天然的復雜結構、穿戴的舒適性和納米材料的多功能特性，使“死皮”重新具有感應能力。
中國科學院院士、西北工業(yè)大學常務副校長黃維，南京工業(yè)大學海外人才緩沖基地（先進材料研究院）副院長霍峰蔚和四川大學制革清潔技術國家工程實驗室副研究員黃鑫為這篇研究論文的共同通訊作者。
《中國科學報》在采訪中獲悉，這種基于皮革的電子皮膚可應用于柔性壓力傳感器、信息顯示器件和用戶交互器件等，為開發(fā)具有模仿甚至超越真皮功能的多功能電子皮膚提供了新契機。
讓皮革有“觸覺”
柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚的關鍵因素。但如何將接近人體皮膚的柔性材料變身為有“觸覺”的電子皮膚，一直是國際科學技術前沿領域攻關的世界性難題。
黃維告訴《中國科學報》，此前，美國斯坦福大學教授鮑哲南院士的研究團隊就通過引入微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應時間。然而，雖然PDMS有良好的生物相容性，但卻具有不透氣的缺點，因此不適合長時間穿戴。
從動物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料——皮革，擁有皮膚的復雜結構，成為電子皮膚的首選材料。美國西北大學羅杰斯和黃永剛兩位院士領導的生物集成電子中心研究團隊就使用PDMS作為黏合劑，將硅器件黏合在皮革上，但該團隊僅將皮革作為簡單的基底處理，卻忽略了皮革結構和性能的優(yōu)點。
“通過傳統(tǒng)的鞣制工藝，可以使皮革恢復類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未被真正開發(fā)。”黃維表示，皮革作為一種舒適的穿戴材料，繼承了皮膚的精細結構，為提高器件性能和擔載其他功能材料提供了結構和功能保障，具有制備高性能電子皮膚的潛能。
“將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結合，可以使這一‘死了的皮膚’起死回生。”黃維表示，該團隊將皮革與不同種類的功能性納米材料（如酸化碳納米管、銀納米線等）結合在一起，重新賦予皮革感應能力。
“在制備過程中，最首要的條件是調控皮革的導電性。”霍峰蔚向《中國科學報》介紹，電子皮膚的主要功能就是在感知外部環(huán)境的刺激后，能夠將刺激轉換為模擬電子信號，其方式類似于真實皮膚中感覺神經的作用。
另外，功能材料用量不同，皮革的導電率也會隨之變化。因此，通過調整功能材料的用量，還可以賦予皮革不同的功能，有目的地獲得具有各種功能的電子皮膚。
霍峰蔚表示，由于皮革具有多層級結構、多孔性以及豐富的官能團，因此，皮革與酸化碳納米管之間還存在物理和化學作用，使得酸化碳納米管在皮革中具有良好的滲透性。
“該電子皮膚的制備過程簡單、通用且可與傳統(tǒng)的皮革工藝結合，從而有利于低成本的大規(guī)模生產。”黃鑫表示，通過將傳統(tǒng)皮革制造與新興納米材料相結合，可在提高皮革附加值的同時有助于開發(fā)新型的可穿戴多功能電子皮膚。
將釋放出更多功能
基于導電皮革，該交叉學科創(chuàng)新團隊設計出一種可穿戴的高靈敏度壓力傳感器。霍峰蔚表示，將一片導電皮革和另一片具有叉指電極的皮革縫合，就可以制造出柔性且可穿戴的壓力傳感器。該壓力傳感器的傳感機制是，利用外部壓力刺激改變叉指電極與皮革中導電納米材料的接觸，從而獲得與外部壓力變化相對應的電流或電壓信號，實現(xiàn)監(jiān)測。
研究顯示，壓力傳感器可迅捷地響應32.5毫克輕微羽毛的碰觸，且響應時間僅40毫秒，具有快速響應的特點。基于皮革的電子皮膚表現(xiàn)出的這種對“輕觸”的高靈敏感知，與真實皮膚的壓力感應行為十分類似。由于皮革具有與生俱來的可穿戴性和可裁剪性，該器件還可以被制造成不同的形狀，如腕帶等。
除此之外，霍峰蔚介紹，將皮革獨特的多層級結構與納米材料的優(yōu)異性能相結合，制備出的皮革電子皮膚可用于持續(xù)監(jiān)測手腕脈搏。
手腕脈搏是動脈血壓和心率的重要指標，也為醫(yī)學診斷提供了大量有價值的信息。例如，一些心血管疾病在初始階段并無癥狀，但可出現(xiàn)病理性脈搏。因此，通過腕脈連續(xù)監(jiān)測人體動脈血壓可以為疾病的診斷提供快速、無創(chuàng)的方法。
基于皮革的壓力傳感器表帶可以精確地讀出健康人的手腕脈沖，還可以清楚地收集手腕脈沖的典型特征，包括沖擊波、潮汐波、舒張波等。這意味著，這種壓力傳感器可以識別手腕脈沖中微小的差異，有望用于醫(yī)學監(jiān)測。此外，基于皮革的壓力傳感器表帶適合長期佩戴，不會像傳統(tǒng)聚合物基底那樣引起不適。
“這表明通過合理的設計，基于皮革的電子皮膚可以重新具有感知能力。”霍峰蔚說。導電皮革還可被用作顯示器件的背電極，顯著促進信息的可視化，有利于改善人們的交流溝通和生活方式。另外，基于皮革的顯示器還可為用戶交互式電子皮膚提供即時的視覺響應。
替代人體皮膚任重道遠
目前，黃維團隊研發(fā)的皮革電子皮膚還不能直接用于修復受損的人體皮膚，黃維坦言，人體皮膚是生命體經過千萬年的進化而來，它具有復雜的組成和結構，目前的科技很難實現(xiàn)復原和替代。
霍峰蔚也表示，目前，該團隊的研究使皮革具有了初步的壓力感知功能，雖然引入發(fā)光材料實現(xiàn)了人類皮膚不具有的發(fā)光和顯示功能，但是要想達到和超越皮膚一樣的多種感知能力，還有很長的路要走。
“要制造可代替人體皮膚的電子皮膚，還需要多學科交叉和協(xié)同創(chuàng)新，如材料科學、化學制造、生命科學、電子科學和健康科技等。特別是，還需依靠新型智能材料的研究以及先進制造技術的發(fā)展。”霍峰蔚說。
“目前，我們研發(fā)的皮革電子皮膚可以作為傳感器或者假肢材料實現(xiàn)對外界壓力刺激的感知。”霍峰蔚表示，在未來的醫(yī)療領域，皮革電子皮膚還可作為穿戴類的電子設備等，實現(xiàn)醫(yī)療大數(shù)據(jù)的采集，同時也有望作為假肢材料幫助受損部位實現(xiàn)部分感知功能。