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  近日，陜西科技大學(xué)生物質(zhì)與功能材料研究所王學(xué)川教授/劉新華副教授團(tuán)隊報道了受皮膚啟發(fā)的可穿戴自供電電子皮膚，可通過摩擦電納米發(fā)電機(jī)收集人體機(jī)械量，同時具備檢測壓力和濕度等功能，并對睡眠質(zhì)量可實現(xiàn)精準(zhǔn)實時監(jiān)測。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際著名期刊Nano Energy上。

圖1 單個電子皮膚像素的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)性質(zhì)

  近年來，隨著社會壓力的增加和電子娛樂產(chǎn)品的興起，青年和中年的睡眠質(zhì)量逐漸降低。此外，老人和嬰兒由于身體需要，更需要保持良好的睡眠狀態(tài)。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的睡眠監(jiān)測設(shè)備存在精準(zhǔn)度低、佩戴不舒服和需要外源電池等缺點(diǎn)。為此，該團(tuán)隊提出了自供電、多功能、透氣、無毒、超薄、超輕、低成本的電子皮膚，用于評估睡眠質(zhì)量�？紤]到電子皮膚的耐磨性和敏感性在很大程度上取決于材料的生物相容性及其結(jié)構(gòu)設(shè)計，文中對涉及原材料進(jìn)行了選擇、改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體方法如下：(1) 從牛皮中提取的膠原聚集體（CA）作為正摩擦材料，并以N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷（KH-792）進(jìn)行氨基化改性增加CA電荷密度、耐用性（>10000次循環(huán)）和疏水性（達(dá)到102°）。此外，通過靜電紡絲制備了KH-792改性膠原聚集體納米纖維（CA-NH₂ NFs），以保證透氣性和穿著舒適性。(2) 人體皮膚的乳頭產(chǎn)生的有效接觸面，為神經(jīng)末梢提供了更多的感應(yīng)部位，提高了天然皮膚對刺激的敏感性。作為一種負(fù)摩擦材料，模擬真皮乳頭的珠鏈聚偏氟乙烯納米纖維（Bead PVDF NFs），在受到外部壓力時增加了正負(fù)摩擦層的有效接觸面積，以提高其靈敏度和發(fā)電密度。(3) 以摻雜了酸化碳納米管的膠原聚集體納米纖維（CA-M NFs）作為濕度傳感層，并與摩擦電壓力傳感層組裝形成多層納米結(jié)構(gòu)全納米纖維多功能電子皮膚，具備重量輕（每個像素0.0241 g）、厚度低（0.20 mm）、透氣性良好（18.5 mm s^–1）和生物相容性好（細(xì)胞存活率= 86.2%）等優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，壓力信號可以通過相對濕度信號進(jìn)行補(bǔ)償，從而消除濕度對電子皮膚壓力敏感度的影響。

圖2 電子皮膚壓力敏感性

  圖 2 表明了在 0–135 kPa 壓力范圍內(nèi)具有較高的電壓輸出、壓力靈敏度（0.32, 0.23 V kPa^–1）、功率密度（82.7 mW M^–2）和循環(huán)穩(wěn)定性。這是因為負(fù)摩擦層在與多孔正摩擦層的接觸分離過程中產(chǎn)生更大的有效接觸面積，以及經(jīng)過交聯(lián)改性后的膠原聚集體作為負(fù)摩擦層具備更高的正電性和耐摩擦性能。另外，由于正負(fù)摩擦層的疏水性賦予壓力傳感層出色的疏水性，在較高的頻率和多變的濕度環(huán)境下下仍能保持輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，然而，濕度在極端干燥和潮濕的條件下仍然會對壓力敏感層造成一定影響，文中給出不同條件下的擬合和補(bǔ)償曲線以確保其精準(zhǔn)性。另外，該電子皮膚通過轉(zhuǎn)換機(jī)械能產(chǎn)生的電能可以通過整流器收集并為商用電容器充電和為小型電子設(shè)備供電。為了進(jìn)一步證明壓力感應(yīng)層對極輕物體的敏感性，文章展示了電子皮膚受到40–215 mg物體的壓力時的輸出信號（圖2i）。

圖3 電子皮膚濕度敏感性

  為了克服現(xiàn)有電子皮膚功能單一的缺點(diǎn)，文中通過逐層靜電紡絲的方法組裝了不同的功能層。在本研究中，CA–M NFs 被用作濕度傳感層，其工作機(jī)制如圖3a所示：全納米纖維結(jié)構(gòu)為濕度敏感層提供了大量水分子的滲透和逃逸的通道，并顯著增加外部環(huán)境與濕度敏感層之間的接觸面積，有利于減少響應(yīng)和遲滯時間（20，33 s）。更重要的是，通過能量管理系統(tǒng)，壓力傳感層收集的機(jī)械能可以為濕度傳感層提供電力，以便電子皮膚在需要時評估環(huán)境的濕度，這避免了外接電源影響電子皮膚的穿戴舒適性。圖中也表明濕度傳感層在較寬動態(tài)檢測范圍內(nèi)（25-85% RH）具備高度敏感性和良好的線性關(guān)系（R²= 0.98），且在設(shè)定的濕度 (25-85% RH)下循環(huán)2000次后沒有明顯的信號衰減，證明了其耐久性。

圖4電子皮膚睡眠質(zhì)量檢測

  研究表明，有睡眠障礙的人患心腦血管疾病的可能性是睡眠正常的人的幾倍，且睡眠質(zhì)量差的人更容易衰老。通常，正常人的睡眠周期持續(xù) 90 至 100 分鐘。根據(jù) R&K 規(guī)則，睡眠周期分為三個階段：快速眼動 （REM）、非快速眼動 （NREM）和清醒期（wake）。每個階段在呼吸率 (RR) 和心跳率 (HR) 方面都有不同的特征。該電子皮膚通過檢測人體的心跳和呼吸的頻率波形通過同步RR和HR的數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確評估受試者的睡眠質(zhì)量。此外，睡眠環(huán)境的相對濕度是影響睡眠的重要外部條件，濕度過高或過低都會嚴(yán)重影響人體睡眠時的舒適度。文中濕度敏感層以超高靈敏度收集睡眠環(huán)境的相對濕度，以便于受試者結(jié)合睡眠質(zhì)量調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

  當(dāng)然，該工作的研究人員也認(rèn)為這種電子皮膚目前仍存在一些問題，在實際推廣應(yīng)用中存在著缺陷。例如：（1）該電子皮膚的成本仍然無法達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的水平；（2）柔性電極和非柔性電路之間的焊接存在問題；（3）壓力傳感器仍然需要頻繁的人體機(jī)械運(yùn)動才能儲存到足夠能量等。因此，相關(guān)的研究工作他們也正在不斷地改進(jìn)和完善。但相信，這種通過層層紡絲的辦法制備的具有自供電能力的仿生多功能電子皮膚，有望提高電子皮膚的集成性、智能性和穿戴舒適性，并為睡眠檢測、仿生皮膚和組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用提供一些新的思路和啟發(fā)。

  相關(guān)成果以“Skin-inspired wearable self-powered electronic skin with tunable sensitivity for real-time monitoring of sleep quality”為題發(fā)表在Nano Energy（Nano Energy, 2021, 106682, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106682）上。陜西科技大學(xué)博士研究生岳歐陽為本論文的第一作者，通訊作者為陜西科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院的王學(xué)川教授和劉新華副教授。感謝國家自然科學(xué)基金項目、咸陽市/溫州市科學(xué)技術(shù)項目等對本工作的大力支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106682