電子皮膚是一個完整而復雜的傳感器陣列，可感知各種環境刺激的微弱信號。為了模仿人類皮膚的多功能特征，電子皮膚集成了多個傳感器，能夠同時檢測溫度、濕度和壓力等因素。一般來說，材料的幾種組合效應（如熱電、壓阻、電容）產生不同的信號是設計多功能可穿戴設備的最直接的方法。然而，這種簡單的疊加裝配可能會增加整體厚度并導致更高的制造成本。因此，一個單獨的可穿戴設備可以檢測一個以上的刺激，對于簡化處理路徑和探索更多的小型化和集成化的智能未來是非常重要的。 ? 盡管先進的數據處理技術（如機器學習）可以成功地分析和分離重疊的信號，但這種方法在很大程度上依賴于柔性傳感器的精度，增加了整個系統的難度。此外，多反應柔性器件的出現從本質上決定了人機界面的巨大應用潛力，它預示著一個革命性的時代，以追求更真實和豐富多彩的互動模式。與溫度或濕度傳感器的整合相比，能夠檢測壓力和應變的單個器件可以簡化人與機器之間的溝通渠道，從而提高生活的便利性和質量。然而，大多數壓力/應變下的輸出反應遵循相同或相似的機制，這導致了電輸出的重疊，甚至嚴重的串擾。因此，迫切需要開發一個獨立的多功能傳感器，能夠以簡單有效的方法提供關于壓力和應變刺激的非重疊輸出信號。

同時，防水能力、可穿戴的舒適性和良好的透氣性也是電子皮膚在實際應用中的關鍵考慮因素。透氣性對于調整人體與外部環境之間的熱濕平衡和氣體交換至關重要。然而，大多數報道的電子皮膚都是用不透氣或有輕微毒性的高分子膜生產的，長期穿戴會導致皮膚發紅、發癢和過敏。此外，在不透氣的設備中，皮膚/傳感器界面的汗液積累是無法避免的，這可能導致設備的故障，最終使電子皮膚與人體分離。因此，開發一個獨立的透氣和防水的傳感器，在暴露于壓力或應變刺激時能提供不重疊的信號讀數，仍然有很大的需求和意義。 ? 據麥姆斯咨詢報道，基于此，澳門大學研究人員開發了一種透氣和防水的電子皮膚（E-skin）， 可以感知壓力/應變的非重疊信號。磁性吸引和納米級聚集的協同效應使電子皮膚具有透氣性的微孔和超疏水性的三維微孔。在施加壓力時，導電微孔的彎曲使其充分接觸以降低電阻，而拉伸則由于導電材料的分離而導致電阻增加。 ?

圖1 電子皮膚傳感示意圖

經過優化后的E-skin可以實現對生理信號和關節運動（手指、手腕、腳和膝蓋）的全身監測。在小應變（0-80%）時表現出7.747的高測量系數，檢測極限低至0.04%。三維微纖還表現出-0.0198/kPa（0-3 kPa）的靈敏度和高達200kPa的寬廣檢測范圍，并具有堅固性。E-skin可以可靠而精確地分辨出各種人體關節運動，涵蓋了包括彎曲、拉伸和壓力在內的廣泛范圍。由于讀數不重疊，不同的刺激可以產生三元輸入“1”、 “0”和“-1”，這擴大了邏輯輸出的指令能力，如有效的莫爾斯碼和直觀的機器人控制。 ?

圖2?電子皮膚在身體不同部位的監測

圖3 人機交互示意圖

由于快速反應、長期穩定性（10000次）、透氣性和超疏水性，相信E-skin可以被廣泛應用于從身體運動監測到人機互動的可穿戴設備，走向更方便和智能的未來。相關研究以“Breathable and Waterproof Electronic Skin with Three-Dimensional Architecture for Pressure and Strain Sensing in Nonoverlapping Mode”為題發表在ACS Nano期刊上。 ? 綜上所述，研究人員報告了一種透氣防水的電子皮膚傳感器，可以感知壓力和應變的非重疊電讀數。作為可穿戴應用的身體監測器，該器件不僅可以捕捉面部微表情和身體運動，還可以檢測皮膚上的壓力/應變和周期性生理信號（步行壓力或呼吸頻率）?；诜侵丿B輸出，所提出的傳感器被證明是一個有效和方便的終端，可以通過莫爾斯碼實現快速通信，并與機械臂實現多功能控制。與二進制系統相比，非重疊的讀數可以建立一個三元系統，該系統可以在減少設備數量的情況下大大拓寬互動能力。除此之外，該電子皮膚同時表現出透氣性和防水功能，這顯示了在不同條件下的舒適穿著和可靠工作的潛力，為智能的未來提供了多功能。 ? 論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04188

編輯：黃飛

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