新型電子皮膚:靈感來自警報水母,在受傷時會發光!

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

最近，中國華中科技大學的研究人員開發出一種由警報水母啟發的電子皮膚，如果給它施加的壓力足以引發傷害，它就會發光。

關鍵字

傳感器、可穿戴技術、電子皮膚

背景

電子皮膚是一項非常熱門的前沿創新技術，它模擬真實皮膚，輕薄且具有柔性和彈性，可以非常便捷地貼合於人體皮膚表面，感知人體生理信號例如血氧濃度、血液中的酒精濃度等，以及外界環境刺激例如壓力、溫度等，以實現人工的觸覺感知能力。

電子皮膚應用領域廣闊，例如醫療、機器人、人造假肢、可穿戴設備等。為了讓增進大家對於電子皮膚的了解，先回顧一下筆者以往介紹過的幾個有關電子皮膚的創新研究案例：

案例一：韓國大邱慶北科學技術院與美國科學家領導的國際科研團隊開發出的新型電子皮膚微系統，可用於監測心率、呼吸、肌肉運動和其他健康數據，並可將數據無線發送至智慧型手機。相對於現有的健康追蹤器，這種電子皮膚憑藉「三維布局」帶來了一些改進，例如柔性更好、尺寸更小。

（圖片來源：大邱慶北科學技術院）

案例二：中國哈爾濱工業大學的研究人員研製出一種帶有毛髮的電子皮膚，這種具有毛髮的電子皮膚能夠捕捉到最輕微的風。

（圖片來源：美國化學會）

案例三：沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的研究人員開發出一種智能線，可檢測施加於其上的壓力強度以及位置。他們通過由納米技術：單壁碳納米管 （SWCNTs），給棉線塗上一層奇特材料，從而能製造出這種智能線。這種智能線可編織進壓敏的電子皮膚，用於機器人、醫學假肢、可穿戴設備。

（圖片來源：阿卜杜拉國王科技大學）

案例四：日本東京大學工學的科學家們開發出一種光電子皮膚，它具有耐用及可彎曲的特性，其厚度只有保鮮膜的四分之一，可以穿戴在皮膚上，用於顯示血氧等級，開發人員也正在準備賦予它更多功能，例如檢測情緒、壓力、焦慮的等級。

（圖片來源：東京大學）

案例五：美國史丹福大學開發出的電子皮膚，為人造假肢和機器人帶來觸覺。這種柔韌的塑料皮膚由多層組成，其中一個壓力傳感器，另一個是印製電子電路。嵌入的感知層由小橡膠錐體陣列組成，每一個都充滿了導電碳納米管。當皮膚感受到壓力，這些錐體會發生壓縮，使其內部的納米管向一起更加緊密的移動。

（圖片來源：史丹福大學）

在介紹過各種電子皮膚的案例後，讓我們來思索電子皮膚技術中存在的一個缺陷即：電子皮膚中的傳感器無法有效地回應有害的打擊。

創新

最近，中國華中科技大學的研究人員，在發表於美國化學會（ACS）《應用材料與界面》（Applied Materials & Interfaces）雜誌的論文中稱，他們開發出一種由警報水母啟發的電子皮膚，如果給它施加的壓力足以引發傷害，它就會發光。

（圖片來源：ACS）

這項研究受到了中國國家自然科學基金委員會、廣東省前沿與關鍵技術創新專項基金、中央高校基本科研專項資金的資助。

技術

電子皮膚技術，幾乎可以模擬所有生物學皮膚的靈敏度，靈敏度非常高，但是它只在比較狹窄的壓力範圍內起作用。如果在會引起傷害的高壓力下，其靈敏度就會退化。為了解決這個問題，來自中國華中科技大學的 Bin Hu 及其同事們，從警報水母中汲取了靈感。

這種水母處於深海、會發光和感知環境壓力的變化。當感知到危險存在時，它們會通過身體釋放一連串醒目的光線，這樣做就是為了引起更大、更可怕的掠食者的注意，從而使當前的掠食者放棄獵物而逃離。

（圖片來源：維基百科）

這種視覺警報可以對於物理威脅作為反應，在這個創意的基礎上，研究人員在電子皮膚中集成了電氣和光學系統，讓輕微和重度的壓力都可以被檢測出來。他們通過銀納米線，嵌入了兩層有彈性的甲基矽氧烷（或者PDMS）薄膜。這些薄膜層製造出電氣信號以響應輕微壓力，例如那些與金屬薄片輕微接觸而引起的。PDMS 層含有螢光粉，像三明治一般位於銀納米線電極之間。這一層隨著物理壓力的增加而發生作用，並發出光線。

（圖片來源：ACS）

價值

研究人員稱，這種方案更接近於人類皮膚可以感知到的大範圍的壓力。這種電子皮膚的最大優點就在於，它可以有效回應過大的外界壓力，在受到損傷時發出視覺警報。

參考資料

【1】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2017/acs-presspac-november-1-2017/jellyfish-inspired-electronic-skin-glows-when-it-gets-hurt.html

【2】Yanli Zhang, Yunsheng Fang, Jia Li, Qihao Zhou, Yongjun Xiao, Kui Zhang, Beibei Luo, Jun Zhou, Bin Hu. Dual-Mode Electronic Skin with Integrated Tactile Sensing and Visualized Injury Warning. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; 9 (42): 37493 DOI: 10.1021/acsami.7b13016

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