[科普中国]-电子皮肤:藏进文身的可穿戴设备

现如今，可穿戴的电子产品，例如手环、iwatch、谷歌眼镜等大受欢迎，不过相较于电子皮肤来说，这些“便携”的产品都太过笨重了。电子皮肤作为一种可穿戴电子产品，不同于现在常见的可穿戴设备，它轻薄得像你的皮肤一样，可以贴在你的手腕或者身体其他任何需要的位置，甚至能成为你身体的一部分。
众所周知，皮肤是我们和周围环境接触的保护层和中介，我们用手掌的皮肤去感受杯壁的冷热，用手指的皮肤感受衣物的材质纹理，用舌头的皮肤感觉酸甜苦辣，用鼻腔的皮肤闻到花香。而人造的电子皮肤就是：它除了能做到人类皮肤能做到的这些之外，还能实时测量人的心跳脉搏、血压血糖，能够发光发热、存储数据，甚至还有一种贴在舌头上的电子皮肤，能让盲人看到周围的物品。
电子皮肤最初出现在大众的视野中是科幻作品，比如《星球大战》的假手和《终结者》中的机器人。而科学家开始研究电子皮肤则可以溯源到1970年代，那个带着传感器的假手。其后，在2004年科学家发明了可弯曲的矩阵皮肤，2008年又发明了微结构的压力传感器。而近年电子皮肤也由于在生物医学领域的潜力，得到了广泛研究和关注。比如在2011年由美国斯坦福大学的科学家提出并制造的一种可以伸缩的微小的太阳能电池，可以为电子皮肤的压力传感器等提供能量。在2013年，斯坦福大学还发明了一种可以藏在文身贴里的电子皮肤。

（图为电子皮肤背面）

要实现电子皮肤的功能，首先要把电子器件做得又薄又轻，更关键的问题在于如何让它能够柔软地贴合皮肤且不至于因弯折而坏掉。现如今使用最为广泛的电子器件是硅做的，而硅的薄片你可以想象成一片薄脆的饼干，难以弯曲，如果用力弯曲拉扯就会折断或者碎得掉渣。到达纳米级别厚度的硅纳米带是可以弯曲的，但是在拉扯或者压缩下也会出现裂纹，碎裂的电子产品一般就无法使用了。
研究者们为了解决电子皮肤在弯折和拉扯压缩下断裂的问题，钻研出了许多不同的方法。主要分为两大方向，其一是利用本身就可以弯曲拉扯不会坏掉的高分子聚合物新材料，就像树脂或者橡胶那样的本身具有弹性的材料，来制造新型的电子皮肤；其二是利用现有的常规电子材料，通过结构上的新设计来实现可以弯折的电子皮肤。
那什么样的结构能够使得本来薄脆、弯曲拉扯下容易断裂的材料变成贴合皮肤，能承受较大程度弯折的电子皮肤呢？目前常见的结构主要有三大类：
其一是手风琴结构。先把一块作为衬底的高分子聚合物拉伸到它本来长度的两倍长，再将一片很薄的硅条贴合在它上面，然后放松下面的衬底，硅条就变得弯弯曲曲或者皱巴巴了。这样处理之后的硅材料就可以承受100%以内程度的拉伸。这就像是将一根橡皮条拉长，再在上面贴一张纸条，放松之后纸条顺着拉伸的方向变得皱起来。同时一张本来不能拉伸的纸条，在这样的处理之后，就能够有一定程度的拉伸和弯曲了。

其二是编织结构。把本来硬邦邦的材料编织成网状，他们就能利用网状的空隙进行一定程度地拉伸、压缩和弯曲而不断裂了。这就像是一片铁片用手很难拉长或者压缩，但是一块小小的铁丝网我们就能用手拉长或者压扁了。

其三是岛状结构。岛状结构顾名思义就是一座座小岛，传统的无法弯折的电子器件分散地排布着，像是一座座分离的小岛，而连接这些岛屿的金属导线则是弯弯曲曲的。这些弯弯曲曲的导线承担了弯曲和拉扯带来的压力，而小岛一样的器件则安稳地各司其职。
另外，大家也不必顾虑这样的电子皮肤是否有害于人体，一般的电子皮肤只是用透明的涂料贴在表面，用特定的洗剂或者工具就可以取下，比一般的刺青容易去掉得多，甚至还可以重复利用。而嵌入人体的电子皮肤，也会使用生物兼容性的材料，化为身体的一部分而不产生排异反应。此外，电子皮肤也不单单只用在人体，因为它是如此的柔软轻便，它可以用在很多东西的表面，比如服装、饰品、输液袋以及机器人的表面等等。

参考文献
[1] Hammock M L, Chortos A, Tee B C K, et al. 25th Anniversary Article: The Evolution of Electronic Skin (E‐Skin): A Brief History, Design Considerations, and Recent Progress[J]. Advanced Materials, 2013, 25(42): 5997-6038.
[2] Schwartz G, Tee B C K, Mei J, et al. Flexible polymer transistors with high pressure sensitivity for application in electronic skin and health monitoring[J]. Nature communications, 2013, 4: 1859.