新型電子皮膚可實時檢測生理信號

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近日,蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊在電子皮膚領域取得新突破。團隊提出的一種一體式自供能全透明柔性電子皮膚,一改先前穿戴不方便、不美觀的缺點,能夠讓電子皮膚發揮更大作用。

實驗結果表明,這種新型電子皮膚系統除了具有優異的柔性、透明性和電化學性能以及高靈敏度之外,充電後,該一體式電子皮膚還可模仿人類皮膚感知功能,貼敷於人體皮膚實現對脈搏、吞嚥、肢體運動等微弱生理信號和大範圍肢體運動的多尺度人體活動的實時檢測。

解決傳統電子皮膚多個技術難題

蘭偉介紹,模仿人類皮膚感知功能的電子皮膚是一種新型的柔性可穿戴傳感器,具有輕薄、柔軟、靈活等特點,可將外界刺激轉化為不同的輸出信號,因此在智慧醫療、人機交互、虛擬現實和人工智能等領域具有廣闊的應用前景。

“傳統電子皮膚大多需要與外部電源集成,以及多設備協同工作。”蘭偉說,除了傳感部分外,傳統電子皮膚大多數組件通常都是剛性的,這極大地影響了電子皮膚的美感、舒適性和安全性,也對信號採集產生了不利影響。

“現有的電子皮膚通常依靠笨重的剛性電池或能量收集裝置來運行。”蘭偉介紹,但前者機械剛性大、重量大、體積大,後者受位置、機體或環境機械活動水平等特殊條件的限制,不能提供持續穩定的能源供給。因此,迫切需要開發和構建一款輕薄、柔軟、高透明度和高穩定性的一體化自供電透明電子皮膚。

此外,實現電子皮膚透明化,可滿足視覺或美學的要求,也是走向實用化的必經之路。電子皮膚的透明效果可為其功能設計提供更多靈感,例如與光伏能源收集模塊和變色效果集成。

“目前大多數電子皮膚多為不透明或部分透明,這主要是受限於結構設計、材料選擇和滲流理論。”蘭偉說,理想的柔性電子皮膚應該是其所有組成部件具有可拉伸性、透明性且高度集成,有獨立穩定可靠的能源供應組件以及無線信息傳輸功能。

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蘭偉介紹,該系統由透明超級電容器、可拉伸透明應變傳感器和蛇形電阻組成。由一維銀納米線和二維MXene納米片構建的“島橋結構”應變傳感器具有極高的靈敏度,超級電容器作為“隱身”電源可為一體式電子皮膚系統進行供電。“本研究解決了現有的電子皮膚依靠外部電源供電且需有線連接、非透明缺乏美感的問題。”蘭偉說。

實現了各尺度人體活動的檢測

蘭偉介紹,團隊的該項研究除了設計一種一體式自供能的全透明柔性電子皮膚,實現了透明超級電容器、可拉伸透明應變傳感器和蛇形電阻的單片集成外,更重要的是實現了對脈搏、吞嚥、肢體運動等微弱生理信號和大範圍肢體運動在內的多尺
 
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