半導體所等在多功能電子皮膚研究方面取得進展

圖：多功能超薄電子皮膚及相關(guān)測試數(shù)據(jù)

皮膚作為人體大的器官，負責人體內(nèi)部與外界環(huán)境的交互。在其柔軟的組織下面分布著一個龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實時獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。電子皮膚通過模擬人類皮膚的傳感功能，能實現(xiàn)或超越皮膚的傳感性能，在機器人、人工義肢、醫(yī)療檢測和診斷等方面展現(xiàn)應(yīng)用前景。隨著信息技術(shù)的不斷進步，人們對發(fā)展高性能的電子皮膚的需求也不斷增加。因此，具有超薄、可拉伸、多參數(shù)檢測等性能的柔性電子皮膚正在引起廣泛的關(guān)注和迅速的發(fā)展。
中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室沈國震課題組與解放軍總醫(yī)院教授姜凱開展深入的合作，在前期系列研究成果的基礎(chǔ)上（Nano Energy, 2016, 23, 7.; Nano Energy, 2017, 35, 121.; Adv. Mater. Technol. 2016, 1, 1600136.; Sci. China. Mater. 2016, 59, 173.），近期合作在電子皮膚領(lǐng)域取得了新進展，開發(fā)了一種可直接貼附在人體表面的超薄高像素柔性電子皮膚陣列。通過引入聚合物中空球納米結(jié)構(gòu)，傳感器對環(huán)境壓力展現(xiàn)出了超高的靈敏度（31.6 kPa-1），以及低的探測下限（0.6 Pa）。由于所制備的聚合物具有負溫阻效應(yīng)，傳感器還對環(huán)境溫度具有很好的響應(yīng)。
利用簡單的半導體加工及轉(zhuǎn)印工藝，設(shè)計了微米級的超薄可拉伸襯底及蛇形電極結(jié)構(gòu)，使得器件不僅彈性好，也不易損壞，可以在不同環(huán)境下拉扯揉折之后，仍能感受到外部壓力與溫度的變化。將這種超薄電子皮膚應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域，成功地實現(xiàn)了對人體脈搏、語音、呼吸、體表溫度等生理信號的實時快速監(jiān)測，并實現(xiàn)了對不同物體的壓力分布成像。為了避免人體生理信號監(jiān)測中，體表溫度變化對器件的影響，還對傳感器進行了溫度補償進而提高器件在實際應(yīng)用中的檢測精度。
這項研究發(fā)展了一種制備方法簡單、環(huán)境友好、成本低廉、適宜大規(guī)模生產(chǎn)的超薄電子皮膚的制備途徑，其高柔性及彈性也符合模擬人體皮膚的需求，因此具有重要的應(yīng)用價值，有望作為一種新型的人造電子皮膚服務(wù)于未來機器人、義肢使用者和可穿戴設(shè)備上。該項工作得到了國家杰出青年科學基金、北京市自然科學基金以及中科院前沿科學重點研究項目等項目的支持。研究成果近期發(fā)表在《納米能源》（Nano Energy，2017, 38, 28）期刊上。