背景

皮膚，是人體中最大的器官，可直接與人體外部的環(huán)境進(jìn)行接觸與交互。柔軟的皮膚組織下面分布著龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實時獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。

電子皮膚（electronicskin），是一門新興的前沿技術(shù)。它模仿了人類皮膚的功能和機(jī)械特性，由輕薄、透明、柔性、可拉伸的材料制成，能非常便捷地貼合于人體皮膚表面，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(huán)境刺激例如壓力、溫度等，從而實現(xiàn)人工的觸覺感知功能。如今，電子皮膚已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、機(jī)器人、人造假肢、可穿戴技術(shù)等多個領(lǐng)域。

創(chuàng)新

近日，新加坡國立大學(xué)（NUS）的科學(xué)家團(tuán)隊受到水下無脊椎動物例如水母的啟發(fā)，創(chuàng)造出一種具有類似功能的電子皮膚。像水母一樣，這種電子皮膚是透明、可拉伸、觸摸敏感的，并能在水生環(huán)境中自我修復(fù)。它可應(yīng)用于從防水觸摸屏到水生軟體機(jī)器人的各個領(lǐng)域。

新加坡國立大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系助理教授BenjaminTee及其團(tuán)隊，與中國清華大學(xué)和美國加州大學(xué)河濱分校的合作伙伴們一起開發(fā)出了這種材料。

團(tuán)隊的八名研究人員花費了超過一年的時間開發(fā)出了這種材料，團(tuán)隊的這項發(fā)明首先于2019年2月15日在《自然電子學(xué)（NatureElectronics）》期刊上發(fā)表。

技術(shù)

多年來，Tee助理教授一直致力于研究電子皮膚，他也是2012年開發(fā)出首個自修復(fù)電子皮膚傳感器的成員。

在這個研究領(lǐng)域的經(jīng)驗，使他可以判斷出自修復(fù)電子皮膚領(lǐng)域尚未克服的關(guān)鍵障礙。他說：“如今，許多自修復(fù)材料所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一就是，它們不是透明的，并且在潮濕的時候無法高效地工作。這些缺點阻礙了它們應(yīng)用于觸摸屏等電子產(chǎn)品，因為這些電子產(chǎn)品經(jīng)常需要在潮濕天氣條件下使用?！?br/>
他繼續(xù)說：“懷揣著這個想法，我們開始研究水母。水母是透明的，并且能感知潮濕環(huán)境。所以，我們想知道如何才能制造出一種人工材料，模仿水母的防水特性，并且對觸摸敏感?！?br/>
他們的努力取得了成功，創(chuàng)造出了一種由碳氟化合物基聚合物以及富氟離子液體組成的凝膠。當(dāng)二者結(jié)合時，聚合物網(wǎng)絡(luò)與離子液體之間通過高度可逆的離子偶極子相互作用進(jìn)行交互，從而使得它能自我修復(fù)。

為了詳盡闡述這種配置的優(yōu)點，Tee助理教授解釋道：“大多數(shù)的導(dǎo)電聚合物凝膠，例如水凝膠，在浸入水中的時候會產(chǎn)生膨脹，或者在空氣中隨著時間推移會變干。我們的材料的不同之處在于，它在潮濕和干燥的環(huán)境中都能保持住形狀。它能很好地工作在海水甚至是酸性或者堿性環(huán)境中。”

價值

這種電子皮膚是通過將新型材料印刷到電子電路上創(chuàng)造出來的。作為一種柔軟、可拉伸的材料，當(dāng)被觸摸、按壓或者拉緊時，其電氣特性會產(chǎn)生變化。Tee助理教授補(bǔ)充道：“我們可以測量這種變化，將它轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺x的電信號，從而創(chuàng)造出一系列不同的傳感器應(yīng)用?！?br/>
Tee助理教授又補(bǔ)充道：“我們的材料的3D打印能力，也表明了它在創(chuàng)造完全透明電路板方面的潛力，這些透明電路板可用于機(jī)器人領(lǐng)域。我們希望利用這種材料在新型軟體機(jī)器人領(lǐng)域開發(fā)各種應(yīng)用?！?br/>
軟體機(jī)器人和柔性電子器件，總的來說，目標(biāo)是模仿生物組織，使得它們從機(jī)械角度來說更適合人機(jī)交互。除了傳統(tǒng)的軟體機(jī)器人應(yīng)用，這種新型材料的防水技術(shù)，使之可用于設(shè)計水陸兩用機(jī)器人和防水電子器件。

這種自修復(fù)電子皮膚更進(jìn)一步的優(yōu)點就是：有望減少垃圾。Tee助理教授解釋道：“全球每年要產(chǎn)生幾百萬噸電子垃圾，這些垃圾來自損壞的手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品。我們希望創(chuàng)造出一個未來，使得由智能材料制造出的電子器件可自我修復(fù)，從而減少全世界的電子垃圾數(shù)量?！?br/>
未來

Tee助理教授及其團(tuán)隊將繼續(xù)他們的研究，并希望未來進(jìn)一步探索這種材料的可能性。他說：“目前，我們正在利用這種材料的綜合性能，去制造新型光電子器件，這些光電子器件有望應(yīng)用于許多的新型人機(jī)通信接口?！?/p>