研究背景
电子皮肤(e-skin)具有与人类皮肤相同的物理化学和感官功能，非常适用于先进的机器人、医疗诊断、皮肤可穿戴设备和智能假肢。电子皮肤作为皮肤附着的可穿戴设备，可以检测人体的生命体征(如呼吸、心电图、脉搏等)，监测身体活动和位置(如本体感觉、手势等)，被广泛用于健康监测和人机界面。因此，理想的电子皮肤应涵盖人类皮肤的所有属性组合，包括物理化学特性(即可伸展性、自愈性、生物相容性、生物降解性、弱酸性、抗菌活性、阻燃性、温度适应性)，以及感官特性(温度、湿度、触觉、应变等)。迄今为止，已经开展了许多工作来促进电子皮肤的发展，包括材料创新、结构设计、功能改进和应用探索。大多数电子皮肤都致力于提高其单模或多模感知能力。
在人类皮肤中，水是所有生物过程中无处不在的要求，它是皮肤屏障完整性和正常生理功能的重要元素。对于人类来说，采用皮肤补水来确保皮肤的正常功能。同样，具有高水含量和生物相容性的水凝胶是实现具有人类皮肤所有超属性的电子皮肤的有希望的平台。然而，水凝胶在空气中操作时往往迅速干燥，空气干燥引起的失水使水凝胶变脆、变硬、不导电，甚至损坏。因此，大多数水凝胶不能实现主动水调控，释水后，这些聚合物材料仍含有大量的水。因此，它们与传统的微/纳米加工工艺不兼容，不能被图案化和进一步整合，这限制了它们的多功能性，对于可进化的超属性电子皮肤来说并不理想。在这方面，具有更多可行和有效的活性水调控属性的水凝胶可能是实现所需的超属性电子皮肤的良好候选者，由于水凝胶中的水的活性调控尚未实现，因此尚未被广泛探索。
研究成果
电子皮肤(e-skin) 模仿人类皮肤的物理化学和感官特性，有望作为机器人皮肤和具有多感官功能的皮肤附加可穿戴设备得到应用。迄今为止，大多数电子皮肤都致力于感官功能的开发，以便在一个或几个方面模仿人类皮肤，然而涵盖人类皮肤所有超属性(包括感官和物理化学特性)的高级电子皮肤却很少被报道。在此，东南大学吴俊副教授&新加坡国立大学Chengkuo Lee教授等人提出了一种具有可逆的凝胶-固体转换的水调制生物仿生超属性凝胶电子皮肤，它表现出所有理想的人类皮肤的物理化学特性(伸展性、自愈性、生物相容性、生物降解性、弱酸性、抗菌性、阻燃性和温度适应性)、感觉特性(压力、温度、湿度、应变和接触)、功能可重新配置性和可进化性。然后，电子皮肤被用作机器人上的电子皮肤和皮肤上的可穿戴设备，以证明其在捕捉多种感官信息、重新配置所需功能以及通过深度学习进行实时手势识别的出色皮肤兼容性方面具有高度的皮肤属性。这种电子皮肤可能会在先进的机器人技术中找到更多的应用，甚至是皮肤可替换的人造皮肤。相关研究以“Water-Modulated Biomimetic Hyper-Attribute-Gel Electronic Skin for Robotics and Skin-Attachable Wearables”为题发表在ACS Nano期刊上。
研究亮点
1. 首次介绍了具有可逆凝胶-固体转换的水调制生物仿生超属性电子皮肤；
2. 该电子皮肤涵盖了类似皮肤的所有物理化学特性(伸展性、自愈性、生物相容性、生物降解性、弱酸性、抗菌活性、阻燃性、温度适应性)、感官特性(压力、温度、湿度、应变和接触)，以及嫁接的物理化学和感官重建和功能进化性。
图文导读
Figure 1. Schematic diagram of our proposed Hygel e-skin.
Figure 2. Adhesion, conductivity, weak acid, antibacterial activity, biocompatibility and antioxidant capacity of the Hygel.
Figure 3. Self-healing, temperature adaptability, fire retardance, and biodegradability of the Hygel.
Figure 4. Multifunctional sensing system based on the Hygel on-robot e-skin.
Figure 5. Skin-grafting-like reconfigurability and evolvability of the Hygel e-skin.
Figure 6. Dynamic gesture recognition and interactive control of in-game actions.
总结与展望
综上所述，作者成功地开发了一种可逆的水调制生物凝胶电子皮肤，并彻底研究了其超属性。Hygel具有多种类似皮肤的物理化学特性，多种感觉特性，以及类似皮肤的移植能力。具体来说，与已报道的作品不同，H+的存在稳定了Hygel 的弱酸性，使Hygel具有类似皮肤的抗菌活性。因此，展示了一个具有多种传感能力(即压力、应变、湿度、接触和温度传感)的机器人皮肤系统，以及出色的阻燃能力和类似皮肤嫁接的可重构性，使其成为一个良好的防火皮肤层，在损坏后可以轻松恢复。此外，还开发了可附着在皮肤上的生物相容性和保形传感器，用于1D-CNN辅助的动态手势识别和游戏中动作的直观虚拟控制。在这项工作中开发的凝胶电子皮肤可以为可更换皮肤的人造皮肤、机器人皮肤和人类-宇宙界面提供一种实施策略。
文献链接
Water-Modulated Biomimetic Hyper[1]Attribute-Gel Electronic Skin for Robotics and Skin-Attachable Wearables
https://doi.org/10.1021/acsnano.2c09851
转自：“i学术i科研”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
