新型電子皮膚：透明、防水、可拉伸、可自我修復！

導讀

近日，新加坡國立大學的科學家團隊受到水母啟發，創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，並能在水生環境中自我修復。它可應用於從防水觸摸屏到水生軟體機器人的各個領域。

背景

皮膚，是人體中最大的器官，可直接與人體外部的環境進行接觸與交互。柔軟的皮膚組織下面分布著龐大的感測器網路，可實時獲得溫度、壓力、氣流等外界信息的變化。

電子皮膚（electronic skin），是一門新興的前沿技術。它模仿了人類皮膚的功能和機械特性，由輕薄、透明、柔性、可拉伸的材料製成，能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，從而實現人工的觸覺感知功能。如今，電子皮膚已經廣泛應用於醫療、機器人、人造假肢、可穿戴技術等多個領域。

（圖片來源：東京大學）

創新

近日，新加坡國立大學（NUS）的科學家團隊受到水下無脊椎動物例如水母的啟發，創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，並能在水生環境中自我修復。它可應用於從防水觸摸屏到水生軟體機器人的各個領域。

像凝膠一般、水生、可拉伸、自修復的電子皮膚設計（圖片來源：參考資料【2】）

新加坡國立大學工學院材料科學與工程系助理教授 Benjamin Tee 及其團隊，與中國清華大學和美國加州大學河濱分校的合作夥伴們一起開發出了這種材料。

Tee助理教授（後排，右）及其團隊（圖片來源：NUS）

團隊的八名研究人員花費了超過一年的時間開發出了這種材料，團隊的這項發明首先於2019年2月15日在《自然電子學（Nature Electronics）》期刊上發表。

自然電子學期刊封面（封面設計：Allen Beattie）

技術

多年來，Tee助理教授一直致力於研究電子皮膚，他也是2012年開發出首個自修複電子皮膚感測器的成員。

在這個研究領域的經驗，使他可以判斷出自修複電子皮膚領域尚未克服的關鍵障礙。他說：「如今，許多自修復材料所面臨的關鍵挑戰之一就是，它們不是透明的，並且在潮濕的時候無法高效地工作。這些缺點阻礙了它們應用於觸摸屏等電子產品，因為這些電子產品經常需要在潮濕天氣條件下使用。」

他繼續說：「懷揣著這個想法，我們開始研究水母。水母是透明的，並且能感知潮濕環境。所以，我們想知道如何才能製造出一種人工材料，模仿水母的防水特性，並且對觸摸敏感。」

水母（圖片來源：維基百科）

他們的努力取得了成功，創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。當二者結合時，聚合物網路與離子液體之間通過高度可逆的離子偶極子相互作用進行交互，從而使得它能自我修復。

為了詳盡闡述這種配置的優點，Tee助理教授解釋道：「大多數的導電聚合物凝膠，例如水凝膠，在浸入水中的時候會產生膨脹，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於，它在潮濕和乾燥的環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鹼性環境中。」

電子皮膚材料可調諧的電氣與機械特性（圖片來源：參考資料【2】）

機電自修復功能（圖片來源：參考資料【2】）

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造出來的。作為一種柔軟、可拉伸的材料，當被觸摸、按壓或者拉緊時，其電氣特性會產生變化。Tee助理教授補充道：「我們可以測量這種變化，將它轉變為可讀的電信號，從而創造出一系列不同的感測器應用。」

由這種電子皮膚製造出的觸摸、壓力和應變感測器（圖片來源：參考資料【2】）

Tee助理教授又補充道：「我們的材料的3D列印能力，也表明了它在創造完全透明電路板方面的潛力，這些透明電路板可用於機器人領域。我們希望利用這種材料在新型軟體機器人領域開發各種應用。」

柔軟、可拉伸、透明、自修復的PCB（圖片來源：參考資料【2】）

軟體機器人和柔性電子器件，總的來說，目標是模仿生物組織，使得它們從機械角度來說更適合人機交互。除了傳統的軟體機器人應用，這種新型材料的防水技術，使之可用於設計水陸兩用機器人和防水電子器件。

這種自修複電子皮膚更進一步的優點就是：有望減少垃圾。Tee助理教授解釋道：「全球每年要產生幾百萬噸電子垃圾，這些垃圾來自損壞的手機、平板電腦等電子產品。我們希望創造出一個未來，使得由智能材料製造出的電子器件可自我修復，從而減少全世界的電子垃圾數量。」

未來

Tee助理教授及其團隊將繼續他們的研究，並希望未來進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，去製造新型光電子器件，這些光電子器件有望應用於許多的新型人機通信介面。」

關鍵字

電子皮膚、機器人、柔性電子、觸摸屏

參考資料

【1】http://news.nus.edu.sg/research/transparent-self-healing-electronic-skin

【2】Yue Cao, Yu Jun Tan, Si Li, Wang Wei Lee, Hongchen Guo, Yongqing Cai, Chao Wang, Benjamin C.-K. Tee. Self-healing electronic skins for aquatic environments. Nature Electronics, 2019; 2 (2): 75 DOI: 10.1038/s41928-019-0206-5

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！