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  近日，陜西科技大學生物質與功能材料研究所王學川教授/劉新華副教授團隊報道了受皮膚啟發的可穿戴自供電電子皮膚，可通過摩擦電納米發電機收集人體機械量，同時具備檢測壓力和濕度等功能，并對睡眠質量可實現精準實時監測。相關研究成果發表于國際著名期刊Nano Energy上。

圖1 單個電子皮膚像素的結構和基礎性質

  近年來，隨著社會壓力的增加和電子娛樂產品的興起，青年和中年的睡眠質量逐漸降低。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。然而，大多數現有的睡眠監測設備存在精準度低、佩戴不舒服和需要外源電池等缺點。為此，該團隊提出了自供電、多功能、透氣、無毒、超薄、超輕、低成本的電子皮膚，用于評估睡眠質量。考慮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構設計，文中對涉及原材料進行了選擇、改性和結構設計，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）進行氨基化改性增加CA電荷密度、耐用性（>10000次循環）和疏水性（達到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) 人體皮膚的乳頭產生的有效接觸面，為神經末梢提供了更多的感應部位，提高了天然皮膚對刺激的敏感性。作為一種負摩擦材料，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摩擦層的有效接觸面積，以提高其靈敏度和發電密度。(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構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（細胞存活率= 86.2%）等優點。更重要的是，壓力信號可以通過相對濕度信號進行補償，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）和循環穩定性。這是因為負摩擦層在與多孔正摩擦層的接觸分離過程中產生更大的有效接觸面積，以及經過交聯改性后的膠原聚集體作為負摩擦層具備更高的正電性和耐摩擦性能。另外，由于正負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境下下仍能保持輸出數據的穩定性，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償曲線以確保其精準性。另外，該電子皮膚通過轉換機械能產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備供電。為了進一步證明壓力感應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

  為了克服現有電子皮膚功能單一的缺點，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，其工作機制如圖3a所示：全納米纖維結構為濕度敏感層提供了大量水分子的滲透和逃逸的通道，并顯著增加外部環境與濕度敏感層之間的接觸面積，有利于減少響應和遲滯時間（20，33 s）。更重要的是，通過能量管理系統，壓力傳感層收集的機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檢測范圍內（25-85% RH）具備高度敏感性和良好的線性關系（R²= 0.98），且在設定的濕度 (25-85% RH)下循環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，且睡眠質量差的人更容易衰老。通常，正常人的睡眠周期持續 90 至 100 分鐘。根據 R&K 規則，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的數據，可以準確評估受試者的睡眠質量。此外，睡眠環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境的相對濕度，以便于受試者結合睡眠質量調節室內環境。

  當然，該工作的研究人員也認為這種電子皮膚目前仍存在一些問題，在實際推廣應用中存在著缺陷。例如：（1）該電子皮膚的成本仍然無法達到工業生產的水平；（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械運動才能儲存到足夠能量等。因此，相關的研究工作他們也正在不斷地改進和完善。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域的應用提供一些新的思路和啟發。

  相關成果以“Skin-inspired wearable self-powered electronic skin with tunable sensitivity for real-time monitoring of sleep quality”為題發表在Nano Energy（Nano Energy, 2021, 106682, DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106682）上。陜西科技大學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輕工科學與工程學院的王學川教授和劉新華副教授。感謝國家自然科學基金項目、咸陽市/溫州市科學技術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