柔性电子皮肤（E-skin）正因其有效的力电转换特性而在穿戴式健康监测及人机交互（HMI）等方面吸引了广泛的关注。然而，如何将柔性电子器件完好地贴合到人体皮肤上，并根据机械刺激实现保形变形和可识别的电反馈，仍然是一项挑战。有鉴于此，澳门大学周冰朴团队与中国科学院深圳先进院张国平团队合作，研制了一种可牢固附着在人体皮肤以感知机械刺激的自粘性电子皮肤。该电子皮肤的粘合层使用激光诱导来固化PDMS（聚二甲基硅氧烷），可确保E-skin与附着表面（如人体皮肤）之间的牢固连接。E-skin在曲面上的保形性附着，则保证了其在机械形变过程中能够准确捕获不同方向的关节变形以输出相应电信号。另外，三维仿生设计模仿了自然界中的微纤毛结构，如昆虫的触角，能够灵敏地检测细微压力变化，提供高分辨率的触觉反馈。
图1 (a) 基于自粘性电子皮肤的传感交互界面示意图；(b) 无粘性电子皮肤与人体皮肤分离会导致信号传输不稳定示意图；(c) 表面带有三维微纤毛结构的电子皮肤示意图；(d) 手腕弯曲时非粘性和粘性E-skin的贴合对比示意图；(e) 弯曲过程中粘附在腕关节上的粘性和非粘性E-skin对比图像。作者通过优化聚二甲基硅氧烷（PDMS）基材和激光诱导交联反应的参数，制备具有缺陷网络的PDMS，从而实现模量区域化的表面自粘E-skin粘合层。其较高的拉伸性和鲁棒性有利于电子皮肤在各类关节弯曲、表皮拉伸和按压的应用场景。 在此基础上，结合外加磁场的辅助作用，该工作实现了PDMS/CNT的复合导电微纤毛阵列的原位制备。通过优化其中的力学性能、力-电转化效率及机械稳定性，该三维电子皮肤可准确识别压力、拉伸应力，以及关节处不同方向的弯曲形变，并输出非重叠信号以利于电子终端的信号区分。
图2 (a) 激光固化制备具有粘附特性的功能层工艺示意图；(b) 基于不同磁场强度和铁磁成分比例的微纤毛形态变化和性能示意图；(c) 贴附于人体皮肤的自粘性E-skin图像及其表面微纤毛的扫描电镜图像。由于E-skin具有出色的自粘性和对机械刺激的非重叠信号，因此其作为可穿戴输入终端可有效实现更多应用，包括莫尔斯电码通信、多维度机器人控制以及人机交互（HMI）指令传输。图3a描述了手腕向内和向外弯曲角度的定义。当手腕向内弯曲时，传感器受到挤压，表面微纤毛相互接触，为负角度；相反，如果手腕向外弯曲，传感器被拉伸，表面微纤毛相互分离，电阻的增加则被定义为正角度。非重叠的电信号可按需定义而实现更有效的莫尔斯电码传输。当手腕从-45°、-30°和-15°弯曲到15°、30°和45°时，E-skin可通过在负和正方向上提供相应的电阻变化来精确监测该动态过程（图3b-c），并实现了类鼠标左右键的手腕操作展示（图3d）。文中亦展示了如何通过多器件的协同匹配，实现更高效的交互式应用场景。
图3 (a) 人体手腕向内和向外弯曲以检测相对电阻变化的示意图；(b) 手腕弯曲不同角度时，自粘性E-skin传感器的电阻响应；(c) 自粘性E-skin附着在人的手腕上，通过向内和向外的弯曲生成摩尔斯电码的定义；(d) 模拟鼠标功能的组合式自粘性E-skin传感器演示。相关研究成果以“Self-Adhesive Electronic Skin with Bio-inspired 3D Architecture for Mechanical Stimuli Monitoring and Human-machine Interactions”为题发表在《Small》。文章第一作者为澳门大学应用物理及材料工程研究院博士生代文雪。该工作受到了澳门科学技术发展基金（0088/2021/A2, 006/2022/ALC）等的经费支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202406564
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