研究开发高弹性电子皮肤

文|陈根

电子皮肤是一类重要的生物医学传感器，与人体皮肤一样能够感知外界不同的压力，也可畅通传导触觉信号的最基本功能。早在2003年，日本东京大学的研究团队就利用低分子有机物并五苯分子制成薄膜，通过其表面密布的压力传感器，实现了电子皮肤感知压力。

而导电弹性纳米复合材料，被认为是电子皮肤元件的一个重要候选材料。但纳米复合材料存在着包括类金属导电性、高拉伸性、超薄厚度和易模压性等挑战。要想让这些属性之间得到平衡，并非是一件易事。

近日，韩国基础科学研究所的研究人员提出了一种浮动组装方法，成功制备出满足上述要求的纳米膜。该方法实现了纳米材料在水-油界面处的紧密组装，将其部分嵌入到超薄弹性体膜中，可以将所施加的应变分布在弹性体膜中，从而即使在纳米材料负载较高的情况下也能获得高弹性。

与典型纳米复合材料的刚性金属填料完全嵌入弹性体基体中不同，该材料在机械变形下填料和弹性体之间的界面上显示出高水平应力不同。在相同的机械变形下，部分嵌入胶状结构在界面处则显示出小得多的应力。

当胶状结构的重量分数很高时（>80 wt%），其也能获得出色的弹性——最大伸长率为540%，几乎与裸弹性体膜的伸长率（570%）相当。而且，该纳米膜可以转移到各种衬底上，例如晶片、塑料衬底、甚至弹性衬底，有利于进一步加工。

此外，通过集成多层图案化纳米膜，这种光图案纳米膜可应用于从简单的皮肤贴装电极，到由电生理、温度、应变和湿度传感器组成的多功能贴装传感器阵列等在内的电子皮肤器件，每个传感器阵列都可以通过垂直连接到互连，在人体皮肤上得到良好的运行。

该纳米膜结构还允许冷焊和双层堆叠，实现高导电性的同时，使用光刻技术制作出高分辨率的图案还能保持各种特性。未来，该成果有助于制造多功能表皮传感设备。