基于柔性电子皮肤的人体健康监测系统的研究与应用

孙会苹，李朝辉，徐浩森，谢础航

（山东科技大学电子信息工程学院，青岛 266590）

1 引言

皮肤披覆在人体的表层，是直接与外界环境相接触的组织，可以使人感受外界温度湿度、物体形状、肢体接触等，是人体最大的器官。人体皮肤里有不同种类感受器，这些感受器集成在皮肤里，接收器将物理接触转换为电信号传给大脑进一步处理，反馈的信号最终会被大脑感受层解释为热觉、触觉等不同的感觉，从而人可以体验到不同的感觉。柔性电子皮肤，即是利用特殊的材料，该材料具有伸缩性、柔韧性等性质，集成大规模传感器电路。

2003年，日本东京大学的研究成员利用低分子有机物并五苯分子制成薄膜，表面的压力感受器进行电子皮肤压力的测量。更进一步，该研究团队在表层薄膜上新嵌入了温度感受器，在晶体管电线交叉的位置使用微传感器记录电流起伏[1]，可进行日常温度及压力的监测，压力检测精度极高。2013年美国科学家研制发明柔性电子皮肤取得成功后，将其应用于机器人，它允许机器人对障碍物实时反应，躲避障碍物。各国科学家也在这一领域努力研究着。2018年，韩国首尔大学研究团队宣布他们开发出了使用仿真皮电子皮肤系统的软体机器人，该电子皮肤以硅胶类物质为素材，在5×5cm 的面积中安装芯片与电路，厚度在1毫米以下，重量也只有0.8g，小巧轻薄且具有强大的伸缩性。将这种超薄电子皮肤应用于医疗测控，可以对人体的脉搏、呼吸及温度等进行实时监控，通过无线通信反映到移动端上，可以简单便捷地实现便携式远程医疗健康监测系统。

2 柔性电子皮肤基本理论

2.1 柔性电子皮肤常用材料

（1）电子元器件，包括薄膜晶体管和传感器等。无机材料大多数材质较脆，应用于电子皮肤不易于伸展，通常放置在刚性的微胞元岛上然后分布在柔性基底上，有利于保护元器件免于损坏。但薄膜晶体管有较高的延展能力。有机薄膜晶体管（OTFT）具有良好进步性，OTFT 尺寸能做得更小，集成度更高，可以减少操作功率并且提高运算速度。

（2）基底材料，电子皮肤所需要的材料需要较高的伸缩性、轻薄性和透明性，聚二甲基硅氧烷（PDMS，polydimethylsiloxane）有机硅，价格经济，使用简单，与硅片之间具有良好的粘附性，广泛应用于电子皮肤的制作。PDMS作为高分子有机硅化物，具有光透性，更贴近皮肤性质。其他基底材料还有polyurethane——聚氨酯、electrospun elastomeric fibers——静电弹性纤维等。

（3）金属薄膜，微胞元岛由交联导电体相互连接，充当柔性电子皮肤中的电线功能，组成完整电路。

图1 普通电子皮肤

（4）石墨烯的应用。石墨烯（Graphene），除了σ 键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz 轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π 键（与苯环类似），具有优良的导电和光学性能。当这些原子充当供体或受体时，石墨烯载流子的浓度会改变，而石墨烯本身可以保持良好的导电性[2]。

2.2 常见柔性电子传感器

要实现电子皮肤，就要采用柔性材料，一般柔性材质不具有导电性，通常采用复合材料和聚合材料来实现。皮肤上的电器元件不仅需要输入，还需要反馈来实现交互功能。电子皮肤研究的理论基础是采用不同的传导方法将外界刺激转换为电信号，柔性传感器按照感知机理分类，包含有电阻式、电容式、压磁式、电感式传感器。电阻式传感技术，外界压力影响导电材料的阻值和复合材料的电路传导路径，将电信号大小改变作为衡量标准，来实现压力检测。

电容式压力传感器主要采用传统的三层结构[3]，上层、中层和下层。上层复合驱动电极，底层复合感应电极，中间层一般使用超弹材料。平行板电容的表层有力作用，极板面积和距离发生变化，通过电容的变化，达到检测的目的。，为介质介电电常数，为真空中的绝对介电常数，为电极间相对接触面积，为极间距。

根据其功能特性，柔性传感器还可分为柔性温度传感器、柔性湿度传感器以及柔性压力传感器等。

3 柔性电子皮肤在人体健康监测中的应用

3.1 清华大学探测人体信号的电子皮肤

清华大学微纳电子系任天令教授团队在纳米领域著名期刊《美国化学学会纳米》（ACS Nano）上发表了题为《多层石墨烯表皮电子皮肤》的论文。团队研发出多层石墨烯电子皮肤，创造了湿法剥离氧化石墨烯的新工艺[4]，实现了可定制的石墨烯纹身式电子皮肤。只留存石墨烯，提高器件灵敏度。该器件可以直接贴在皮肤进行探测呼吸、心率、发声等，对于人体健康监测（如运动睡眠监测）方面有着重大意义。实时监测人体健康，在疾病发生前期及时就医，可降低医疗成本并且减轻病人疾病严重时的生理痛苦，拉动整个国家的医疗进步。

图2 清华大学新闻网 电子皮肤纹身

3.2 电子皮肤让假肢拥有感觉

2018年，约翰·霍普金斯大学研究团队研制出能感知疼痛和触觉的皮肤——e-dermise。该皮肤由织物和橡胶构成，当触摸尖锐物体时，橡胶内的传感器捕获信号，指尖皮肤会产生电脉冲，刺激到假体周围的神经，传递电信号，重新感知触觉和疼痛。此种电子皮肤的研发成功，给了残疾人士重新拥有感觉的机会，对于残疾人士规避危险具有重要意义。

图3 约翰·霍普金斯大学——可感知电子皮肤研究成果

4 结束语

柔性电子皮肤对于人体健康实时监测、生物医疗方面，都具有十分重要的意义。它由微电子技术、微传感器和新材料等组成，技术未趋于成熟。未来电子皮肤会被应用于多个领域，也期待研发出人体不排斥的可移植电子皮肤，为烧伤患者创造福音。