許多賽博朋克風(fēng)格科幻作品中都有這樣的情節(jié)，在昏暗嘈雜的未來都市角落，主人公遇到等待已久的接頭人（通常還是個(gè)漂亮女性），然后拿出識(shí)別設(shè)備微微一掃，對(duì)方金屬色緊身衣或者裸露的皮膚上就出現(xiàn)了若隱若現(xiàn)的二維碼，然后空中就出現(xiàn)一段涉及機(jī)密的VR/AR影像……

這種貼在身上，能夠被外界設(shè)備識(shí)別，甚至儲(chǔ)存信息的電子皮膚，本質(zhì)上是一種很薄、很輕的穿戴設(shè)備，電路被集成到薄薄的皮膚一樣的膜里，可以直接貼在身體上。華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授，2020年科學(xué)探索獎(jiǎng)獲得者黃永安教授稱，目前已經(jīng)能制造出厚度為1微米（保鮮膜厚度的1/20左右）的電子皮膚，貼在身體上，幾乎都感覺不到它的存在。

1微米的厚度非常小，需要用螺旋測(cè)微計(jì)才能測(cè)出 | 圖蟲創(chuàng)意

根據(jù)不同的功能，現(xiàn)在正在研發(fā)中的柔性電子皮膚，其使用的材料各不相同，包括納米材料、與聚合物材料等等。例如，科羅拉多大學(xué)博爾德分校研制出的電子皮膚，使用的是液體金屬材料作為電線，表面用聚亞胺來包裹。在阿卜杜拉國王學(xué)院的項(xiàng)目中，使用的是二氧化硅納米顆粒增強(qiáng)的水凝膠作為皮膚表面，碳化鈦?zhàn)鳛閭鞲袑?。無論使用何種材料，電子皮膚的特性都需要和人皮膚非常相似：它可以像人類皮膚一樣褶皺，拉伸，旋轉(zhuǎn)，彎曲等，卻不會(huì)影響到本身的功能。除此以外，應(yīng)用場(chǎng)景不同，它們的特征還有些細(xì)微的差別。

科羅拉多大學(xué)使用液體金屬材料和聚合物制作的電子皮膚 |

https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202/tab-pdf

正因?yàn)檫@種柔性電子覆蓋層緊貼皮膚，如果內(nèi)置電路，就可以非常準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人的身體狀況。對(duì)比傳統(tǒng)的穿戴設(shè)備，電子皮膚帶來的精準(zhǔn)度和便利性的提高不言而喻。傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，要在身上布滿貼紙和線，還需要在病人口袋放置機(jī)器。醫(yī)生還需要提醒患者不要過多運(yùn)動(dòng)，擔(dān)心信號(hào)會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而接觸不良，產(chǎn)生測(cè)量誤差。電子皮膚就可以解決這樣的問題，只需要在身體上貼上帶有相應(yīng)傳感器的電子皮膚，然后通過藍(lán)牙等無線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端即可。這樣的處理不僅能提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，保證實(shí)時(shí)性，還能減少病人麻煩，提高診療效率。

傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備不方便且很難做到實(shí)時(shí) | pixabay

這樣的應(yīng)用其實(shí)已經(jīng)悄然展開了有一定時(shí)間。2018年，加州大學(xué)伯克利分校和韓國科學(xué)技術(shù)院幾乎同時(shí)發(fā)布了一種醫(yī)用電子皮膚。通過不同血氧濃度的血液對(duì)紅光的吸收程度不同這一原理（傳統(tǒng)血氧儀也是這一原理），他們發(fā)布的電子皮膚都可以監(jiān)測(cè)身體的血氧濃度。

傳統(tǒng)的血氧儀需要夾在手上 | pixabay

今年4月，清華大學(xué)馮雪教授團(tuán)隊(duì)公布了一種可以進(jìn)行連續(xù)的血壓和血氧測(cè)量的電子皮膚。這種皮膚可以抑制運(yùn)動(dòng)帶來的干擾，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也可以使用。作者團(tuán)隊(duì)在北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院使用了這種皮膚來測(cè)量血壓，94%的測(cè)量者誤差在5毫米汞柱以內(nèi)，接近血壓儀國標(biāo)最大允許誤差（3.75毫米汞柱）。

清華大學(xué)馮雪團(tuán)隊(duì)公布的可以測(cè)量血壓和血氧的電子皮膚 |

Haicheng L , Yinji M , Ziwei L , et al. Wearable skin-like optoelectronic systems with suppression of motion artifacts for cuff-less continuous blood pressure monitor[J]. National Science Review(5):5.

利用不同原理，電子皮膚還可以監(jiān)測(cè)身體的其他指標(biāo)。例如，利用酶反應(yīng)來檢測(cè)身體中維生素C含量的電子皮膚，就被加州大學(xué)圣迭戈分校在今年5月發(fā)布了。

電子皮膚中的酶可以用來轉(zhuǎn)化汗液中的維生素C，以監(jiān)測(cè)體內(nèi)維生素C含量 | Sempionatto J R , Khorshed A A , Ahmed A , et al. Epidermal Enzymatic Biosensor for Sweat Vitamin C: Towards Personalized Nutrition[J]. ACS Sensors, 2020, 5(6):1804-1813.

這些電子皮膚無一例外都將傳感器部分集成在皮膚上，緊貼著人類的身體。而數(shù)據(jù)處理等部分，則在其他終端上。監(jiān)測(cè)指標(biāo)可以通過藍(lán)牙傳送到醫(yī)生的終端，為后續(xù)分析和治療提供便利。黃永安教授稱，在今年的新冠疫情中，電子皮膚也在監(jiān)測(cè)患者血氧濃度、心率等指標(biāo)上發(fā)揮了作用。

可以將數(shù)據(jù)用藍(lán)牙傳到其他終端進(jìn)行處理 | pixabay

看到這里，有人不禁要問，那么電子皮膚運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，電從哪里來呢？別慌，還有更黑科技的部分。人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有皮膚褶皺、變形等。這將會(huì)產(chǎn)生能量。電子皮膚已經(jīng)可以做到，收集這些褶皺、變形等運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，用來維持電子皮膚的電力供應(yīng)。甚至，還能通過汗液進(jìn)行發(fā)電！加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系的助理教授高偉（Wei Gao）稱，人體汗液中含有乳酸，電子皮膚中內(nèi)置的燃料電池可以吸收乳酸并將其與大氣中的氧氣結(jié)合，產(chǎn)生水和丙酮酸，因而產(chǎn)生能量。這樣，從外界看來，電子皮膚仿佛即插即用，令人驚嘆。

加州理工學(xué)院提出的汗液發(fā)電的電子皮膚 |

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/ciot-esf042220.php

不過，如果由于外力作用，電子皮膚遭遇破壞了怎么辦？科羅拉多大學(xué)博爾德分校的幾位華人學(xué)者研究出的電子皮膚，將剛性（芯片組件）、柔性（改性的動(dòng)態(tài)共價(jià)熱固性聚酰亞胺）和液態(tài)材料（共晶液態(tài)金屬）集成在一起，不但傳感器效果很優(yōu)秀，加入的液態(tài)金屬材料也保證了它擁有自我修復(fù)功能，看來《復(fù)仇者聯(lián)盟》中，鋼鐵俠贈(zèng)給小蜘蛛的那件納米材料蜘蛛俠戰(zhàn)衣，在理論上至少有了誕生的可能。

已經(jīng)可以研制出有抗各種極限操作的性能，并且可以自恢復(fù)的電子皮膚 |

https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202/tab-pdf

電子皮膚未來的應(yīng)用恐怕不只是在疫情中監(jiān)測(cè)血壓和血氧那么簡(jiǎn)單。它將會(huì)更貼近我們的生活，部分取代一些家用健康儀器的地位。它還可以作為日常運(yùn)動(dòng)穿戴設(shè)備使用，如同現(xiàn)在很多人戴的手環(huán)一樣。甚至，用同樣的原理，可以制造機(jī)器人的皮膚，使機(jī)器人像人類一樣有著敏感的觸覺?？苹秒娪爸?，那些有未來感的，多功能的皮膚，可能需要由電子皮膚來接近實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202/tab-article-info

[2]https://www.caltech.edu/about/news/electronic-skin-fully-powered-sweat-can-monitor-health-serve-human-machine-interface

[3]Haicheng L , Yinji M , Ziwei L , et al. Wearable skin-like optoelectronic systems with suppression of motion artifacts for cuff-less continuous blood pressure monitor[J]. National Science Review(5):5.

[4]Sempionatto J R , Khorshed A A , Ahmed A , et al. Epidermal Enzymatic Biosensor for Sweat Vitamin C: Towards Personalized Nutrition[J]. ACS Sensors, 2020, 5(6):1804-1813.

[5]Hyeonwoo, Lee, Eunhye, et al. Toward all-day wearable health monitoring: An ultralow-power, reflective organic pulse oximetry sensing patch.[J]. Science Advances, 2018.


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【人工智能】，了解更多人工智能活動(dòng)詳情