第一作者：Xupeng Lu

通訊作者：Mitch Guijun Li

通訊單位：香港科技大學

DOI: 10.1002/adma.73436

背景介紹

生物皮膚是一個重要的器官，具有多種生理功能，包括屏障保護、感覺、體溫調節、分泌和排泄、吸收、代謝和免疫防御。這些功能共同維持體內平衡，使機體能夠感知外部環境，并支持適應性行為。特別是，皮膚的感覺功能為感知機械、溫度和濕度刺激提供了主要途徑，是對視覺和聽覺輸入的補充。這種功能依賴于分布于皮膚多層結構（表皮、真皮和皮下組織）中的多種特化受體；每一層又根據其特定功能細分（例如，表皮中的基底層；真皮中的乳頭層和網狀層）。如圖1所示，例如默克爾細胞、邁斯納小體、帕西尼小體、魯菲尼小體和游離神經末梢。這些感受器將物理或化學刺激轉化為電信號，并通過傳入神經纖維傳遞至中樞神經系統進行整合和感知。因此，皮膚感覺可以概念化為兩個連續階段：（1）生物電信號生成（外周感受器對刺激的轉換），以及（2）信號后處理（信號通過傳入神經的采集/傳輸以及在脊髓/大腦內的中樞處理）。

電子皮膚（e-skin）是一種仿生平臺，它通過集成柔性材料以及電氣、機械和流體模塊的結構設計來模擬生物皮膚的關鍵功能（包括感受器和執行器）。在本綜述中，電子皮膚主要指皮膚集成的柔性傳感系統，這是一類可穿戴傳感器，在機器人、人機交互（HMI）和健康監測等領域有著廣泛的應用。首先，當集成到機器人平臺上時，電子皮膚可提供分布式觸覺感知（例如，區分銳利度、材質和表面紋理）和本體感覺反饋（例如，感知假肢關節和末端執行器的彎曲）。這些感覺輸入支持閉環控制，實現自適應操作，并促進與動態環境的安全物理交互。其次，電子皮膚可用作雙向人機交互界面。貼附于人體的傳感器可捕捉人體運動信號，例如用于設備控制或交互系統輸入的手勢，而柔軟的傳感器機器人表面或觸控顯示器可檢測人體觸摸并提供與情境相符的反饋。這些功能可實現更直觀、更具沉浸感的交互模式。第三，電子皮膚可促進對生理信號的無創監測。機械傳感器可轉換與脈搏、呼吸、心率和步態相關的生物力學變化，而電化學傳感器可檢測生物體液中的生物標志物變化。這些轉換信號以及腦電圖（EEG）、心電圖（ECG）和肌電圖（EMG）等電生理信號，均可使用高導電性電極記錄，以便后續分析。這些模式共同為健身追蹤、臨床診斷和康復提供了豐富的數據。總而言之，作為一種先進的多模態傳感層，電子皮膚為智能系統感知來自物理環境和人體的信息提供了關鍵接口，在未來智能產業和智慧城市系統的發展中發揮著基礎性作用。

目前，機器人、人機交互和健康監測領域常用的傳統剛性傳感系統主要依賴于微機電系統（MEMS）慣性測量單元（IMU）、光學探測器、機械編碼器和基于金屬應變的力傳感器。盡管這些技術在其各自領域占據主導地位，但它們也存在一些根本性的物理局限性，阻礙了其在高級應用中的發展。MEMS IMU集成了加速度計和陀螺儀用于空間姿態計算，具有尺寸緊湊、響應速度快的優點，適用于運動捕捉。然而，它們存在固有的累積積分漂移問題，并且只能作為本體感受器，無法感知外部物理接觸。光學/視覺探測器則可提供非接觸式、高分辨率的全局感知，適用于機器人導航、人體姿態跟蹤和生命體征估計。但是，光照變化、視線遮擋以及個人醫療保健中存在的隱私問題都會嚴重影響其可靠性。對于結構跟蹤，集成在電動鉸鏈中的機械編碼器能夠提供卓越的絕對精度和魯棒性。然而，它們笨重的結構在與復雜的多自由度人體關節連接時會引入嚴重的運動學失配，導致用戶在進行外骨骼輔助康復時感到不適，甚至可能造成損傷。此外，成熟的剛性力矩傳感器在測量宏觀載荷方面表現出色，線性度高，適用于機器人末端執行器和步態分析平臺。但它們的關鍵缺陷在于無法與復雜幾何形狀實現共形集成。因此，它們無法提供高分辨率的分布式觸覺信息，同時其較大的剛體慣性也限制了動態響應帶寬。

由于其固有的剛性和無法實現共形集成（圖 2），傳統的剛性傳感系統本質上無法滿足現代應用所需的靈活性、用戶舒適度和高分辨率分布式交互。這些顯著的局限性無疑凸顯了開發與皮膚集成的柔性傳感系統的必要性。為了實現從剛性盒子到共形皮膚的范式轉變，材料選擇和結構設計對于實現電子皮膚的功能至關重要。在許多應用中，僅具有柔性的材料（例如聚酰亞胺）無法貼合動態或不規則表面。因此，應探索具有高拉伸性或極佳柔順性的材料。此外，作為傳感功能的主要載體，這些材料及其微/納米結構應能高效地將外部刺激轉化為穩定、可測量的電信號。它們應在較長的使用壽命內保持穩定的機械性能和信號轉換性能，在反復按壓、拉伸和彎曲的情況下保持結構完整性和功能可靠性，并在汗液、高濕度和極端溫度等嚴苛條件下抵抗降解。對于生物醫學和可穿戴應用，生物相容性至關重要，透氣性和透濕性對于佩戴者的舒適度也十分重要。最后，為了實現可擴展和可持續的部署，應優先考慮環境因素，包括使用無毒材料、采用環保的制造工藝以及開發可生物降解的電子皮膚系統。

電子皮膚反映了皮膚感覺的兩個階段，通常包含兩個主要組件（圖 3）：傳感元件（刺激轉換）和用于信號采集、傳輸和處理的電極/電路（信號后處理）。本文重點關注材料選擇和組合，以及機械刺激傳感元件、柔性電極和電路的結構設計。第二部分著重介紹壓力和觸覺傳感器。該部分概述了電容式、壓電式、壓阻式、摩擦電式、其他以及混合轉換機制的材料組合和微觀結構設計策略，并評估了在不同應用場景下優化性能的途徑。第三部分涵蓋了拉伸、彎曲和扭轉應變傳感器。盡管其基本傳感機制與第二部分有所重疊，但電阻機制在應變傳感中占主導地位。因此，本部分重點介紹了獨特的材料平臺，包括液態金屬（LM）、裂紋/缺陷金屬薄膜、凝膠基材料和離子液體聚合復合材料。第四部分討論了信號采集電極和信號傳輸/處理電路，這些部件不參與信號生成。本部分分析了電極配置如何影響空間刺激分布的重建，并回顧了制造技術以及具有形變不變互連的柔性電路實例。對于高導電性電極，本部分還討論了它們直接與人體耦合時在電生理記錄中的具體應用，以及通過加載活性傳感材料或集成輔助配置，將其功能擴展到生物體液（例如汗液）的電化學檢測。最后，第五部分總結了皮膚集成柔性傳感系統的最新進展，并指出了未來研究的關鍵挑戰和方向。

本文亮點

1. 本文系統地總結了用于機械刺激（按壓、拉伸、彎曲和扭轉）的傳感元件，并根據不同的轉換機制（包括電容效應、壓電效應、電阻效應、摩擦電效應等）評估了材料選擇和優化策略。此外，本文還探討了柔性信號采集電極和處理電路的設計和布局，并綜述了形變不變高導電材料的最新進展。

2. 本文詳細討論了電生理監測和生物體液物理化學傳感方面的具體應用。

3. 最后，本文重點闡述了當前面臨的挑戰和未來的發展方向，旨在指導下一代智能電子皮膚的材料開發、優化和應用。

圖文解析

圖1. 生物皮膚的感覺系統，為電子皮膚研究提供仿生靈感。

圖2. MEMS慣性測量單元、光學/視覺探測器、機械編碼器、剛性力/扭矩傳感器和柔性電子皮膚的多維性能比較。（評分軸：優秀、良好、一般、差、很差。）

圖3. 綜述的結構概述：各部分之間的結構布局和邏輯關系。

圖4. 柔性壓力和觸覺傳感器中的電容式轉換機制。(a) 電容式傳感器結構示意圖。(b) 法向壓力和剪切力引起的電容變化。(c) 用于極地環境下運行的機械臂的電容式傳感器的結構和靈敏度。(d) 層級圖案結構、所制備的電容式電子皮膚照片及相應的掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(e) 基于超級電容器的電子皮膚的制備、工作原理及應用。

圖5. 壓電轉換機制及壓力和觸覺傳感器中的代表性實例。(a) 壓力誘導晶體結構變形及由此產生的電偶極矩示意圖。(b) 自組裝壓電晶體及相應的傳感器。(c) 剛軟混合材料及仿人手指壓電電子皮膚的結構設計。

圖6. 微粒，采用熔融共混、壓縮成型和鹽析法制備。(c) 基于 P(VDF–TrFE) 的壓電傳感器，安裝在機械手掌上，用于精細抓取番茄和豆腐。

圖7. (a) 由天然材料制成的可持續壓電電子皮膚。(b) 由可食用豬皮明膠制成的可生物降解壓電電子皮膚。(c) 壓電離子轉換機制及其在機械爪中的應用。

圖8. 用于柔性壓力和觸覺傳感器的壓阻轉換機制和材料策略。 (a) 采用Cr/Au線材的電子皮膚的結構設計、變形模式和掃描電鏡圖像。(b) 采用AuNWs的電子皮膚的結構設計和掃描電鏡圖像。(c) 采用碳納米管的電子皮膚的結構設計和掃描電鏡圖像。(d) 采用石墨烯納米片的電子皮膚的結構設計、變形模式和掃描電鏡圖像。(e) 采用MXene的電子皮膚的結構設計和掃描電鏡圖像。（f）采用 PEDOT:PSS 和 MWCNT 的電子皮膚的結構設計和 SEM 圖像。

圖9. 用于增強壓阻傳感器性能的微結構設計。（a）剪紙結構。（b）折紙結構。（c）微穹頂。（d）微錐體。（e）微納米網格。（f）微孔。

圖10. 用于壓力傳感器的摩擦電轉換機制及摩擦材料策略。(a) 摩擦電機制、傳感器結構及工作順序示意圖。(b) 應用于多點觸控可視化的摩擦電傳感器。(c) LM浸漬多孔PDMS的制備及其增強摩擦電性能。(d) 將Ni-MOP集成到摩擦電傳感器中以增強性能，以及相應的高角度環形暗場(HAADF)圖像。(e) 用于摩擦電傳感器的表面功能化多孔明膠和MXene薄膜的示意圖和SEM圖像。

圖11. 提高摩擦電性能的微觀結構設計及生物相容性研究。(a) 無圖案、線性、指紋狀和蜂窩狀表面圖案的摩擦電性能比較。(b) 由微/納米纖維制成的摩擦電電子皮膚。(c) 專為腸道環境設計的生物相容性摩擦電電子裝甲及其結構。(d) 天然洋蔥皮用作可生物降解的摩擦材料：摩擦電傳感器結構及相應的掃描電鏡圖像。

圖12. 電子皮膚的電容效應、壓電效應、壓阻效應和摩擦電效應的多維性能比較。 （評分標準：優秀、良好、一般、差、很差。）

圖13. 其他用于柔性壓力和觸覺傳感器的轉換機制。(a) 集成晶體管以增強壓電器件性能。(b) 具有表面微結構的光學壓力電子皮膚及其工作機制。(c) 可控孔隙率調節傳感系統內的光學特性。(d) 柔性光學壓力傳感系統中采用的發光技術。(e) 磁性電子皮膚的結構設計和工作機制。 f) 電子皮膚的感應機制。

圖14. 用于柔性應變傳感器的金屬基換能單元。(a) 用于應變傳感的三維液態金屬結構及其相對于二維液態金屬結構的性能提升。(b) 不同的初始缺陷密度會在拉伸過程中改變裂紋尺寸和間距，從而產生不同的電阻響應。

圖15. 用于柔性應變傳感器的凝膠基材料。(a) 由嵌入Alg-PBA/GG聚合物基質中的AgNP/MXene網絡構成的導電凝膠及其對應的掃描電鏡圖像。(b) 由天然山羊皮膠原纖維制成的有機凝膠電子皮膚及其對應的掃描電鏡圖像。（c）梯度泡沫結構水凝膠的結構和掃描電鏡圖像。（d）通過直接墨水書寫法制備的軟基質/硬骨架復合凝膠。

圖16. 用于柔性應變傳感器的離子液體-聚合復合材料。（a）在PDES離子液體基質中制備自組裝CNC液晶骨架。（b）紫外光引發多功能共聚單體與離子液體[BMIM]TFSI的共聚反應。

圖17. 三種電極配置。（a）“行+列”電極陣列及其在可擴展觸覺手套中的應用。(b) 空間分布的獨立電極及其在假肢裝置中的應用。(c) EIT 電極分布及其在觸覺電子皮膚中的應用。

圖18. (a) 用于腎功能障礙診斷的物理化學傳感功能化電極。(b) 典型的功能化電極結構和兩個代表性的傳感層：交聯酶層和離子選擇性膜。

圖19. 高導電性可穿戴電極和電路。(a) 用于電生理監測的可穿戴電極。(b) 典型的多層貼片電極及其結構。(c) 通過掩模涂覆圖案化的典型流動電極。(d) 典型的單片電極及其制造工藝。(e) 用作可穿戴電路的FPC。(f) 用于電路集成的嵌入硅橡膠中的銅線。(g) 用于電路集成的嵌入絕緣彈性體中的LM線。(h) 用于可穿戴電路的基于氣溶膠的多材料印刷的通用梯度界面。

圖20. 未來展望示意圖，包括研究方向和潛在解決方案。