隨着技術的發展，電子皮膚已然成爲優異的“感知”輸入端，緣於這種感知的傳遞，電子皮膚與醫療領域可謂是天作之合。電子皮膚能夠實時監測呼吸、心率、體溫等常規身體信號，再通過大規模的數據採集與分析，以實現對個體健康的早期診療。在此之外，電子皮膚還能實現對汗液中電解質、代謝產物等生理信息的全面感知，並豐富診斷信息。

近日，加州理工學院醫學工程系高偉（Wei Gao）教授研究團隊設計了生物燃料自供能的多模式傳感電子皮膚，通過藍牙通訊來實現實時的無創健康監測和人機交互，該研究成果以“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”爲題，發表於Science Robotics，爲基於電子皮膚的新一代可穿戴設備和人機交互研究提供了新的思路。

絕大部分電子皮膚的使用時間和壽命均受限於作爲供能裝置的電池，因此提升電子皮膚能量利用效率並且找到替代常規電池的能源裝置就成爲新一代電子皮膚的研究焦點。研究團隊利用汗液中的生物質能作爲能源，將生物燃料電池作爲供能裝置與生物及物理傳感器集成於超薄透明的聚酰亞胺(PI)基底上構建新一代自供能電子皮膚。該生物燃料電池集合了零維至三維納米材料並分別修飾相應的乳酸氧化酶與鉑鈷合金納米粒子，能從汗液中直接獲得高達3.5 mW cm-2的功率密度，並實現爲電子皮膚持續供能60個小時。在充沛的能量供應基礎上，研究者又進一步優化了能量利用效率，控制藍牙模塊通過休眠/激活模式的切換完成無線數據傳輸以降低電子皮膚的能量需求並延長連續工作時間。

生物燃料驅動的柔性電子皮膚用於多通道無線健康監測

集成在電子皮膚上的生物電化學傳感器可以實現生理信息的實時監測，該研究利用尿素酶修飾的銨離子選擇電極首次實現了汗液中尿素的實時監測；通過修飾pH選擇電極材料和葡萄糖氧化酶，該電子皮膚亦可對汗液pH值與葡萄糖濃度實時監測。人體試驗結果顯示：汗液中銨離子，尿素與葡萄糖濃度都隨着運動的進行而有一定程度的下降，而pH值則基本保持穩定；汗液尿素和葡萄糖的含量也隨着營養食物的攝取而增加。這種自供能電子皮膚有潛力在人們的日常生活中實現實時的營養代謝監測和管理。

爲進一步拓展電子皮膚在輔助醫療領域的應用，該研究將生物電化學傳感器切換爲應變傳感器並置於手指與肘部，該電子皮膚以此傳感器識別肢體的姿勢並轉化爲電信號通過無線數據傳輸操控機械手臂移動抓取，或者利用肘部的傳感器識別行走過程中手臂的移動，以此操縱機械假肢輔助行走。這種集成了生理信號和分子信息監測的電子皮膚也可以被用來優化設計未來的假肢機器人，使輔助醫療義肢變得更特異化、個性化。

自驅動電子皮膚用於控制假肢輔助行走

本文的通訊作者爲加州理工學院醫學工程系的高偉教授，論文的第一作者爲課題組的You Yu博士。其他作者爲 Joanna Nassar, Changhao Xu, Jihong Min, Yiran Yang, Adam Dai, Rohan Doshi, Adrian Huang, Yu Song, 以及加州理工學院機械工程系的Rachel Gehlhar 以及Aaron D. Ames 教授。

論文信息：

Y. Yu, J. Nassar, C. Xu, J. Min, Y. Yang, A. Dai, R. Doshi, A. Huang, Y. Song, R. Gehlhar, A. D. Ames, W. Gao, Biofuel-powered Soft Electronic Skin with Multiplexed and Wireless Sensing for Human-Machine Interfaces, Science Robotics, 2020, 5, eaaz7946.

https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz7946

高偉教授課題組網站：

http://www.gao.caltech.edu/