南方科技大学提出皮肤-电极界面传感模式

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授郭传飞团队在柔性传感技术研究方面取得进展。该团队提出了“皮肤-电极界面传感模式”，通过简单地在皮肤表面贴附电极即可实现高灵敏度、高分辨率的触觉传感功能，为人体表皮传感技术和可穿戴电子技术领域提供了一种全新的思路，相关论文以“Skin-Electrode Iontronic Interface for Mechanosensing”为题发表在学术期刊Nature Communications。

人体皮肤具有触觉感知功能，可以感受到外界的力刺激，是人类与外界交互的重要器官。然而，一部分人群可能因为患病或神经受损等原因丧失部分触觉功能，因此，需要开发一种表皮传感器件，帮助触觉功能障碍的人群恢复触觉。除了以上需求，人类还需要表皮电子器件或可穿戴设备采集人体生理信号，以实时监测人体健康状态。但已有的传感器通常为多层结构，其中一种灵敏度极高的离-电型器件通常需要用到一层离子凝胶或水凝胶材料，这层离子材料可以和电极之间形成双电层，从而提供极高的界面电容密度。但是，离子凝胶往往具有毒性，而水凝胶则容易脱水。此外，多层的器件结构难以在皮肤上长期稳定贴附，透气性不好，可能会带来皮肤炎症等问题。因此，在人体表面贴附电子皮肤往往不具有实用性。

研究团队提出的“皮肤-电极界面传感”概念，直接用人体皮肤作为触觉传感器的活性材料。人体皮肤是一种天然水凝胶，它能长期保持稳定的离子导电性。通常，人体皮肤表面的多孔角质层和汗液形成一层天然的含水多孔结构。当电极与皮肤接触时，电极中的自由电子和皮肤汗液里的离子可形成离-电界面，其电容的大小由电极和皮肤的接触面积决定。因此，在上述电极中引入微结构，其受压电极和皮肤之间发生接触面积变化，通过测量电容即可获取压力信息。

这种皮肤-电极界面传感结构的灵敏度最高可达到11.8 kPa⁻¹，超过了多数报道的电子皮肤。这使得它能够灵敏地感应体外的压力刺激信息以及人体内微弱的生理信号，例如，它可以探测到指尖脉搏中丰富的细节信息。这种传感器的信号非常稳定，即使出汗也能准确地测出脉搏信号。另外，这种传感器具有很好的抗干扰能力，日常运动包括走路和摆臂都不会影响压力信号的提取，相反，器件还能记录到人体的运动信息。

此外，这种皮肤-电极界面传感模式也可以用于可穿戴设备。团队设计了一个基于这种界面传感原理的智能手套，它可灵敏地测试出抓取过程中手指和手掌各部分的压力分布。这种智能手套有望用来帮助触觉功能障碍的人群恢复触觉功能。

南科大材料科学与工程系研究助理朱胖、硕士生侯星宇，以及来自于麻省理工学院机械工程系博士生杜汇丰为该论文的共同第一作者。郭传飞和麻省理工学院教授方绚莱为文章的共同通讯作者，南科大是论文第一单位。

该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划创新与创业团队、深圳市科创委基础研究项目等基金的资助。