半导体所等在多功能电子皮肤研究方面取得进展

图：多功能超薄电子皮肤及相关测试数据

皮肤作为人体大的器官，负责人体内部与外界环境的交互。在其柔软的组织下面分布着一个庞大的传感器网络，从而实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。电子皮肤通过模拟人类皮肤的传感功能，能实现或超越皮肤的传感性能，在机器人、人工义肢、医疗检测和诊断等方面展现应用前景。随着信息技术的不断进步，人们对发展高性能的电子皮肤的需求也不断增加。因此，具有超薄、可拉伸、多参数检测等性能的柔性电子皮肤正在引起广泛的关注和迅速的发展。
中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室沈国震课题组与解放军总医院教授姜凯开展深入的合作，在前期系列研究成果的基础上（Nano Energy, 2016, 23, 7.; Nano Energy, 2017, 35, 121.; Adv. Mater. Technol. 2016, 1, 1600136.; Sci. China. Mater. 2016, 59, 173.），近期合作在电子皮肤领域取得了新进展，开发了一种可直接贴附在人体表面的超薄高像素柔性电子皮肤阵列。通过引入聚合物中空球纳米结构，传感器对环境压力展现出了超高的灵敏度（31.6 kPa-1），以及低的探测下限（0.6 Pa）。由于所制备的聚合物具有负温阻效应，传感器还对环境温度具有很好的响应。
利用简单的半导体加工及转印工艺，设计了微米级的超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构，使得器件不仅弹性好，也不易损坏，可以在不同环境下拉扯揉折之后，仍能感受到外部压力与温度的变化。将这种超薄电子皮肤应用于医学领域，成功地实现了对人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号的实时快速监测，并实现了对不同物体的压力分布成像。为了避免人体生理信号监测中，体表温度变化对器件的影响，还对传感器进行了温度补偿进而提高器件在实际应用中的检测精度。
这项研究发展了一种制备方法简单、环境友好、成本低廉、适宜大规模生产的超薄电子皮肤的制备途径，其高柔性及弹性也符合模拟人体皮肤的需求，因此具有重要的应用价值，有望作为一种新型的人造电子皮肤服务于未来机器人、义肢使用者和可穿戴设备上。该项工作得到了国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金以及中科院前沿科学重点研究项目等项目的支持。研究成果近期发表在《纳米能源》（Nano Energy，2017, 38, 28）期刊上。