新型电子皮肤：具有超强的拉伸、感知和自愈能力

导读

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的科研人员开发出一种导电的水凝胶，它使得电子皮肤的拉伸能力、自愈能力和应变灵敏度，达到了新的极限。

背景

电子皮肤（Electronic skin），是时下非常热门的前沿科技领域之一。简单说，电子皮肤是由轻薄、可弯曲、可拉伸、有弹性的材料制成的柔性电子器件，是感测器技术、微机电技术、新材料技术等多项技术相互融合的成果。

电子皮肤可以模仿人类皮肤保护、感知、自愈等功能，在医疗、机器人、人造假肢、可穿戴设备等诸多领域，都有着很好的应用前景。

例如，它可以非常便捷地贴合于人体皮肤表面，感知人体生理信号（血氧浓度、血液中的酒精浓度等）以及外界环境刺激（压力、温度等）。此外，它还可以做成帮助伤口愈合的生物可降解贴片、可穿戴电子设备、对于触摸敏感的机器人装置等等。

之前，笔者介绍过许多有关电子皮肤的科研创新案例，今天从中精心挑选出三个经典的案例，使大家对于电子皮肤有一个直观的认识和初步的了解。

1）美国科罗拉多大学波尔得分校研究人员开发出一种新型“电子皮肤”，它具有延展性，可自我修复，可完全回收。

（图片来源：Jianliang Xiao / 科罗拉多大学波尔得分校）

2）美国斯坦福大学研究人员开发出的电子皮肤，让人造假肢和机器人具有触觉感知能力。

（图片来源：斯坦福大学）

3）中国哈尔滨工业大学的研究人员研制出一种带有毛发的电子皮肤，它可以捕捉到最轻微的风。

（图片来源：美国化学会）

创新

今天，让我们再来关注一项有关电子皮肤的科研创新成果。近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的科研人员开发出一种导电的水凝胶，它使得电子皮肤的拉伸能力、自愈能力和应变灵敏度，达到了新的极限。

（图片来源：KAUST）

该校材料科学与工程系教授 Husam Alshareef 表示：“我们的材料胜过之前报道的所有水凝胶，并且引入了新功能。”

技术

这种材料是一种由含水的水凝胶与金属碳化物（MXene）组成的复合材料。它不仅能拉伸超过34倍，还能迅速变回初始形状，也可以粘贴在许多表面上，例如皮肤。当将这种材料切成小块再重新连接到一起时，它可以迅速地自我愈合。

（图片来源：参考资料【2】）

Alshareef 实验室的博士后、论文第一作者 Yizhou Zhang 表示：“材料对于拉伸和压缩具有不同的灵敏度，这是一项突破性的发现，它为水凝胶的感知能力添加了一个新的维度。”对于感知皮肤中的变化并将其转化为电信号来说，这个新维度显得十分重要。

价值

论文合著者 Kanghyuck Lee 表示：“我们的材料在各种生物感知和生物医疗领域，具有真正的潜力。”

例如，将这种材料的薄片粘贴到用户的前额，就能分辨出不同的面部表情，例如微笑或者皱眉。这种能力使得严重面瘫的患者可以控制电子设备并进行通信。

（图片来源：KAUST）

另外，将条状的这种材料粘贴于咽喉部位，就可以将语音转化为电子信号。这是一项非常了不起的功能，它使得有言语障碍的人讲话能被清楚地听到。还有一种更加直接且非常有用的医疗应用，就是柔性创面覆盖物，它可以释放药物促进愈合。

（图片来源：参考资料【2】）

除了粘贴在外部皮肤上，这种材料还可用于身体内部的病变器官。团队也正在计划开发一种智能材料，用于监测器官的体积和现状，根据产生的信号来改变药物的释放。未来，理想的潜在应用会将医学感知和治疗结合起来。

此外，其他的应用还包括机器人，例如：这种材料可以用于触敏的机器人手指。这种材料还具有防伪作用，这种材料加上集成电路元件可以高度灵敏地检测签名的真伪。

关于现在或者未来开发的潜在应用，KAUST 团队有一个长长的列表。Alshareef 总结道：“商业化的潜力巨大。”

关键字

电子皮肤、感测器、机器人、医疗、柔性电子

参考资料

【1】https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/504/electronic-skin-stretched-to-new-limits

【2】Zhang, Y., Lee, K., Anjum, D.H., Sougrat, R., Jiang, Q. Kim, H. & Alshareef, H.N. MXenes stretch hydrogel sensor performance to new limits: hydrogels sense and heal better with MXene. Science Advances 4, eaat0098 (2018).| article