基于柔性電子皮膚的人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

孫會(huì)蘋，李朝輝，徐浩森，謝礎(chǔ)航

（山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，青島 266590）

1 引言

皮膚披覆在人體的表層，是直接與外界環(huán)境相接觸的組織，可以使人感受外界溫度濕度、物體形狀、肢體接觸等，是人體最大的器官。人體皮膚里有不同種類感受器，這些感受器集成在皮膚里，接收器將物理接觸轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳給大腦進(jìn)一步處理，反饋的信號(hào)最終會(huì)被大腦感受層解釋為熱覺、觸覺等不同的感覺，從而人可以體驗(yàn)到不同的感覺。柔性電子皮膚，即是利用特殊的材料，該材料具有伸縮性、柔韌性等性質(zhì)，集成大規(guī)模傳感器電路。

2003年，日本東京大學(xué)的研究成員利用低分子有機(jī)物并五苯分子制成薄膜，表面的壓力感受器進(jìn)行電子皮膚壓力的測(cè)量。更進(jìn)一步，該研究團(tuán)隊(duì)在表層薄膜上新嵌入了溫度感受器，在晶體管電線交叉的位置使用微傳感器記錄電流起伏[1]，可進(jìn)行日常溫度及壓力的監(jiān)測(cè)，壓力檢測(cè)精度極高。2013年美國(guó)科學(xué)家研制發(fā)明柔性電子皮膚取得成功后，將其應(yīng)用于機(jī)器人，它允許機(jī)器人對(duì)障礙物實(shí)時(shí)反應(yīng)，躲避障礙物。各國(guó)科學(xué)家也在這一領(lǐng)域努力研究著。2018年，韓國(guó)首爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)宣布他們開發(fā)出了使用仿真皮電子皮膚系統(tǒng)的軟體機(jī)器人，該電子皮膚以硅膠類物質(zhì)為素材，在5×5cm 的面積中安裝芯片與電路，厚度在1毫米以下，重量也只有0.8g，小巧輕薄且具有強(qiáng)大的伸縮性。將這種超薄電子皮膚應(yīng)用于醫(yī)療測(cè)控，可以對(duì)人體的脈搏、呼吸及溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)無(wú)線通信反映到移動(dòng)端上，可以簡(jiǎn)單便捷地實(shí)現(xiàn)便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 柔性電子皮膚基本理論

2.1 柔性電子皮膚常用材料

（1）電子元器件，包括薄膜晶體管和傳感器等。無(wú)機(jī)材料大多數(shù)材質(zhì)較脆，應(yīng)用于電子皮膚不易于伸展，通常放置在剛性的微胞元島上然后分布在柔性基底上，有利于保護(hù)元器件免于損壞。但薄膜晶體管有較高的延展能力。有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）具有良好進(jìn)步性，OTFT 尺寸能做得更小，集成度更高，可以減少操作功率并且提高運(yùn)算速度。

（2）基底材料，電子皮膚所需要的材料需要較高的伸縮性、輕薄性和透明性，聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）有機(jī)硅，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，使用簡(jiǎn)單，與硅片之間具有良好的粘附性，廣泛應(yīng)用于電子皮膚的制作。PDMS作為高分子有機(jī)硅化物，具有光透性，更貼近皮膚性質(zhì)。其他基底材料還有polyurethane——聚氨酯、electrospun elastomeric fibers——靜電彈性纖維等。

（3）金屬薄膜，微胞元島由交聯(lián)導(dǎo)電體相互連接，充當(dāng)柔性電子皮膚中的電線功能，組成完整電路。

圖1 普通電子皮膚

（4）石墨烯的應(yīng)用。石墨烯（Graphene），除了σ 鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個(gè)碳原子的垂直于層平面的pz 軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π 鍵（與苯環(huán)類似），具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。當(dāng)這些原子充當(dāng)供體或受體時(shí)，石墨烯載流子的濃度會(huì)改變，而石墨烯本身可以保持良好的導(dǎo)電性[2]。

2.2 常見柔性電子傳感器

要實(shí)現(xiàn)電子皮膚，就要采用柔性材料，一般柔性材質(zhì)不具有導(dǎo)電性，通常采用復(fù)合材料和聚合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。皮膚上的電器元件不僅需要輸入，還需要反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)交互功能。電子皮膚研究的理論基礎(chǔ)是采用不同的傳導(dǎo)方法將外界刺激轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，柔性傳感器按照感知機(jī)理分類，包含有電阻式、電容式、壓磁式、電感式傳感器。電阻式傳感技術(shù)，外界壓力影響導(dǎo)電材料的阻值和復(fù)合材料的電路傳導(dǎo)路徑，將電信號(hào)大小改變作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)。

電容式壓力傳感器主要采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)[3]，上層、中層和下層。上層復(fù)合驅(qū)動(dòng)電極，底層復(fù)合感應(yīng)電極，中間層一般使用超彈材料。平行板電容的表層有力作用，極板面積和距離發(fā)生變化，通過(guò)電容的變化，達(dá)到檢測(cè)的目的。，為介質(zhì)介電電常數(shù)，為真空中的絕對(duì)介電常數(shù)，為電極間相對(duì)接觸面積，為極間距。

根據(jù)其功能特性，柔性傳感器還可分為柔性溫度傳感器、柔性濕度傳感器以及柔性壓力傳感器等。

3 柔性電子皮膚在人體健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 清華大學(xué)探測(cè)人體信號(hào)的電子皮膚

清華大學(xué)微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在納米領(lǐng)域著名期刊《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）上發(fā)表了題為《多層石墨烯表皮電子皮膚》的論文。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出多層石墨烯電子皮膚，創(chuàng)造了濕法剝離氧化石墨烯的新工藝[4]，實(shí)現(xiàn)了可定制的石墨烯紋身式電子皮膚。只留存石墨烯，提高器件靈敏度。該器件可以直接貼在皮膚進(jìn)行探測(cè)呼吸、心率、發(fā)聲等，對(duì)于人體健康監(jiān)測(cè)（如運(yùn)動(dòng)睡眠監(jiān)測(cè)）方面有著重大意義。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體健康，在疾病發(fā)生前期及時(shí)就醫(yī)，可降低醫(yī)療成本并且減輕病人疾病嚴(yán)重時(shí)的生理痛苦，拉動(dòng)整個(gè)國(guó)家的醫(yī)療進(jìn)步。

圖2 清華大學(xué)新聞網(wǎng) 電子皮膚紋身

3.2 電子皮膚讓假肢擁有感覺

2018年，約翰·霍普金斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出能感知疼痛和觸覺的皮膚——e-dermise。該皮膚由織物和橡膠構(gòu)成，當(dāng)觸摸尖銳物體時(shí)，橡膠內(nèi)的傳感器捕獲信號(hào)，指尖皮膚會(huì)產(chǎn)生電脈沖，刺激到假體周圍的神經(jīng)，傳遞電信號(hào)，重新感知觸覺和疼痛。此種電子皮膚的研發(fā)成功，給了殘疾人士重新?lián)碛懈杏X的機(jī)會(huì)，對(duì)于殘疾人士規(guī)避危險(xiǎn)具有重要意義。

圖3 約翰·霍普金斯大學(xué)——可感知電子皮膚研究成果

4 結(jié)束語(yǔ)

柔性電子皮膚對(duì)于人體健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療方面，都具有十分重要的意義。它由微電子技術(shù)、微傳感器和新材料等組成，技術(shù)未趨于成熟。未來(lái)電子皮膚會(huì)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，也期待研發(fā)出人體不排斥的可移植電子皮膚，為燒傷患者創(chuàng)造福音。