香港科技大学：研究用于机器人、人机交互和健康监测的柔性传感系统

 

生物皮肤是一个重要的器官，具有多种生理功能，包括屏障保护、感觉、体温调节、分泌和排泄、吸收、代谢和免疫防御。这些功能共同维持体内平衡，使机体能够感知外部环境，并支持适应性行为。特别是，皮肤的感觉功能为感知机械、温度和湿度刺激提供了主要途径，是对视觉和听觉输入的补充。这种功能依赖于分布于皮肤多层结构（表皮、真皮和皮下组织）中的多种特化受体；每一层又根据其特定功能细分（例如，表皮中的基底层；真皮中的乳头层和网状层）。如图1所示，例如默克尔细胞、迈斯纳小体、帕西尼小体、鲁菲尼小体和游离神经末梢。这些感受器将物理或化学刺激转化为电信号，并通过传入神经纤维传递至中枢神经系统进行整合和感知。因此，皮肤感觉可以概念化为两个连续阶段：（1）生物电信号生成（外周感受器对刺激的转换），以及（2）信号后处理（信号通过传入神经的采集/传输以及在脊髓/大脑内的中枢处理）。

电子皮肤（e-skin）是一种仿生平台，它通过集成柔性材料以及电气、机械和流体模块的结构设计来模拟生物皮肤的关键功能（包括感受器和执行器）。在本综述中，电子皮肤主要指皮肤集成的柔性传感系统，这是一类可穿戴传感器，在机器人、人机交互（HMI）和健康监测等领域有着广泛的应用。首先，当集成到机器人平台上时，电子皮肤可提供分布式触觉感知（例如，区分锐利度、材质和表面纹理）和本体感觉反馈（例如，感知假肢关节和末端执行器的弯曲）。这些感觉输入支持闭环控制，实现自适应操作，并促进与动态环境的安全物理交互。其次，电子皮肤可用作双向人机交互界面。贴附于人体的传感器可捕捉人体运动信号，例如用于设备控制或交互系统输入的手势，而柔软的传感器机器人表面或触控显示器可检测人体触摸并提供与情境相符的反馈。这些功能可实现更直观、更具沉浸感的交互模式。第三，电子皮肤可促进对生理信号的无创监测。机械传感器可转换与脉搏、呼吸、心率和步态相关的生物力学变化，而电化学传感器可检测生物体液中的生物标志物变化。这些转换信号以及脑电图（EEG）、心电图（ECG）和肌电图（EMG）等电生理信号，均可使用高导电性电极记录，以便后续分析。这些模式共同为健身追踪、临床诊断和康复提供了丰富的数据。总而言之，作为一种先进的多模态传感层，电子皮肤为智能系统感知来自物理环境和人体的信息提供了关键接口，在未来智能产业和智慧城市系统的发展中发挥着基础性作用。

目前，机器人、人机交互和健康监测领域常用的传统刚性传感系统主要依赖于微机电系统（MEMS）惯性测量单元（IMU）、光学探测器、机械编码器和基于金属应变的力传感器。尽管这些技术在其各自领域占据主导地位，但它们也存在一些根本性的物理局限性，阻碍了其在高级应用中的发展。MEMS IMU集成了加速度计和陀螺仪用于空间姿态计算，具有尺寸紧凑、响应速度快的优点，适用于运动捕捉。然而，它们存在固有的累积积分漂移问题，并且只能作为本体感受器，无法感知外部物理接触。光学/视觉探测器则可提供非接触式、高分辨率的全局感知，适用于机器人导航、人体姿态跟踪和生命体征估计。但是，光照变化、视线遮挡以及个人医疗保健中存在的隐私问题都会严重影响其可靠性。对于结构跟踪，集成在电动铰链中的机械编码器能够提供卓越的绝对精度和鲁棒性。然而，它们笨重的结构在与复杂的多自由度人体关节连接时会引入严重的运动学失配，导致用户在进行外骨骼辅助康复时感到不适，甚至可能造成损伤。此外，成熟的刚性力矩传感器在测量宏观载荷方面表现出色，线性度高，适用于机器人末端执行器和步态分析平台。但它们的关键缺陷在于无法与复杂几何形状实现共形集成。因此，它们无法提供高分辨率的分布式触觉信息，同时其较大的刚体惯性也限制了动态响应带宽。

由于其固有的刚性和无法实现共形集成（图 2），传统的刚性传感系统本质上无法满足现代应用所需的灵活性、用户舒适度和高分辨率分布式交互。这些显著的局限性无疑凸显了开发与皮肤集成的柔性传感系统的必要性。为了实现从刚性盒子到共形皮肤的范式转变，材料选择和结构设计对于实现电子皮肤的功能至关重要。在许多应用中，仅具有柔性的材料（例如聚酰亚胺）无法贴合动态或不规则表面。因此，应探索具有高拉伸性或极佳柔顺性的材料。此外，作为传感功能的主要载体，这些材料及其微/纳米结构应能高效地将外部刺激转化为稳定、可测量的电信号。它们应在较长的使用寿命内保持稳定的机械性能和信号转换性能，在反复按压、拉伸和弯曲的情况下保持结构完整性和功能可靠性，并在汗液、高湿度和极端温度等严苛条件下抵抗降解。对于生物医学和可穿戴应用，生物相容性至关重要，透气性和透湿性对于佩戴者的舒适度也十分重要。最后，为了实现可扩展和可持续的部署，应优先考虑环境因素，包括使用无毒材料、采用环保的制造工艺以及开发可生物降解的电子皮肤系统。

电子皮肤反映了皮肤感觉的两个阶段，通常包含两个主要组件（图 3）：传感元件（刺激转换）和用于信号采集、传输和处理的电极/电路（信号后处理）。本文重点关注材料选择和组合，以及机械刺激传感元件、柔性电极和电路的结构设计。第二部分着重介绍压力和触觉传感器。该部分概述了电容式、压电式、压阻式、摩擦电式、其他以及混合转换机制的材料组合和微观结构设计策略，并评估了在不同应用场景下优化性能的途径。第三部分涵盖了拉伸、弯曲和扭转应变传感器。尽管其基本传感机制与第二部分有所重叠，但电阻机制在应变传感中占主导地位。因此，本部分重点介绍了独特的材料平台，包括液态金属（LM）、裂纹/缺陷金属薄膜、凝胶基材料和离子液体聚合复合材料。第四部分讨论了信号采集电极和信号传输/处理电路，这些部件不参与信号生成。本部分分析了电极配置如何影响空间刺激分布的重建，并回顾了制造技术以及具有形变不变互连的柔性电路实例。对于高导电性电极，本部分还讨论了它们直接与人体耦合时在电生理记录中的具体应用，以及通过加载活性传感材料或集成辅助配置，将其功能扩展到生物体液（例如汗液）的电化学检测。最后，第五部分总结了皮肤集成柔性传感系统的最新进展，并指出了未来研究的关键挑战和方向。

本文亮点

1. 本文系统地总结了用于机械刺激（按压、拉伸、弯曲和扭转）的传感元件，并根据不同的转换机制（包括电容效应、压电效应、电阻效应、摩擦电效应等）评估了材料选择和优化策略。此外，本文还探讨了柔性信号采集电极和处理电路的设计和布局，并综述了形变不变高导电材料的最新进展。

2. 本文详细讨论了电生理监测和生物体液物理化学传感方面的具体应用。

3. 最后，本文重点阐述了当前面临的挑战和未来的发展方向，旨在指导下一代智能电子皮肤的材料开发、优化和应用。

图文解析

 

图1. 生物皮肤的感觉系统，为电子皮肤研究提供仿生灵感。

图2. MEMS惯性测量单元、光学/视觉探测器、机械编码器、刚性力/扭矩传感器和柔性电子皮肤的多维性能比较。（评分轴：优秀、良好、一般、差、很差。）

图3. 综述的结构概述：各部分之间的结构布局和逻辑关系。

图4. 柔性压力和触觉传感器中的电容式转换机制。(a) 电容式传感器结构示意图。(b) 法向压力和剪切力引起的电容变化。(c) 用于极地环境下运行的机械臂的电容式传感器的结构和灵敏度。(d) 层级图案结构、所制备的电容式电子皮肤照片及相应的扫描电子显微镜 (SEM) 图像。(e) 基于超级电容器的电子皮肤的制备、工作原理及应用。

图5. 压电转换机制及压力和触觉传感器中的代表性实例。(a) 压力诱导晶体结构变形及由此产生的电偶极矩示意图。(b) 自组装压电晶体及相应的传感器。(c) 刚软混合材料及仿人手指压电电子皮肤的结构设计。

图6. 微粒，采用熔融共混、压缩成型和盐析法制备。(c) 基于 P(VDF–TrFE) 的压电传感器，安装在机械手掌上，用于精细抓取番茄和豆腐。

图7. (a) 由天然材料制成的可持续压电电子皮肤。(b) 由可食用猪皮明胶制成的可生物降解压电电子皮肤。(c) 压电离子转换机制及其在机械爪中的应用。

图8. 用于柔性压力和触觉传感器的压阻转换机制和材料策略。 (a) 采用Cr/Au线材的电子皮肤的结构设计、变形模式和扫描电镜图像。(b) 采用AuNWs的电子皮肤的结构设计和扫描电镜图像。(c) 采用碳纳米管的电子皮肤的结构设计和扫描电镜图像。(d) 采用石墨烯纳米片的电子皮肤的结构设计、变形模式和扫描电镜图像。(e) 采用MXene的电子皮肤的结构设计和扫描电镜图像。（f）采用 PEDOT:PSS 和 MWCNT 的电子皮肤的结构设计和 SEM 图像。

图9. 用于增强压阻传感器性能的微结构设计。（a）剪纸结构。（b）折纸结构。（c）微穹顶。（d）微锥体。（e）微纳米网格。（f）微孔。

图10. 用于压力传感器的摩擦电转换机制及摩擦材料策略。(a) 摩擦电机制、传感器结构及工作顺序示意图。(b) 应用于多点触控可视化的摩擦电传感器。(c) LM浸渍多孔PDMS的制备及其增强摩擦电性能。(d) 将Ni-MOP集成到摩擦电传感器中以增强性能，以及相应的高角度环形暗场(HAADF)图像。(e) 用于摩擦电传感器的表面功能化多孔明胶和MXene薄膜的示意图和SEM图像。

图11. 提高摩擦电性能的微观结构设计及生物相容性研究。(a) 无图案、线性、指纹状和蜂窝状表面图案的摩擦电性能比较。(b) 由微/纳米纤维制成的摩擦电电子皮肤。(c) 专为肠道环境设计的生物相容性摩擦电电子装甲及其结构。(d) 天然洋葱皮用作可生物降解的摩擦材料：摩擦电传感器结构及相应的扫描电镜图像。

图12. 电子皮肤的电容效应、压电效应、压阻效应和摩擦电效应的多维性能比较。 （评分标准：优秀、良好、一般、差、很差。）

图13. 其他用于柔性压力和触觉传感器的转换机制。(a) 集成晶体管以增强压电器件性能。(b) 具有表面微结构的光学压力电子皮肤及其工作机制。(c) 可控孔隙率调节传感系统内的光学特性。(d) 柔性光学压力传感系统中采用的发光技术。(e) 磁性电子皮肤的结构设计和工作机制。 f) 电子皮肤的感应机制。

图14. 用于柔性应变传感器的金属基换能单元。(a) 用于应变传感的三维液态金属结构及其相对于二维液态金属结构的性能提升。(b) 不同的初始缺陷密度会在拉伸过程中改变裂纹尺寸和间距，从而产生不同的电阻响应。

图15. 用于柔性应变传感器的凝胶基材料。(a) 由嵌入Alg-PBA/GG聚合物基质中的AgNP/MXene网络构成的导电凝胶及其对应的扫描电镜图像。(b) 由天然山羊皮胶原纤维制成的有机凝胶电子皮肤及其对应的扫描电镜图像。（c）梯度泡沫结构水凝胶的结构和扫描电镜图像。（d）通过直接墨水书写法制备的软基质/硬骨架复合凝胶。

图16. 用于柔性应变传感器的离子液体-聚合复合材料。（a）在PDES离子液体基质中制备自组装CNC液晶骨架。（b）紫外光引发多功能共聚单体与离子液体[BMIM]TFSI的共聚反应。

图17. 三种电极配置。（a）“行+列”电极阵列及其在可扩展触觉手套中的应用。(b) 空间分布的独立电极及其在假肢装置中的应用。(c) EIT 电极分布及其在触觉电子皮肤中的应用。

图18. (a) 用于肾功能障碍诊断的物理化学传感功能化电极。(b) 典型的功能化电极结构和两个代表性的传感层：交联酶层和离子选择性膜。

图19. 高导电性可穿戴电极和电路。(a) 用于电生理监测的可穿戴电极。(b) 典型的多层贴片电极及其结构。(c) 通过掩模涂覆图案化的典型流动电极。(d) 典型的单片电极及其制造工艺。(e) 用作可穿戴电路的FPC。(f) 用于电路集成的嵌入硅橡胶中的铜线。(g) 用于电路集成的嵌入绝缘弹性体中的LM线。(h) 用于可穿戴电路的基于气溶胶的多材料印刷的通用梯度界面。

图20. 未来展望示意图，包括研究方向和潜在解决方案。

  审核编辑 黄宇