研究背景
近年来，表皮电子学以其优异的力学性能和电子特性在世界范围内备受关注。到目前为止，已经基于各种工作原理开发了广泛的柔性应变传感器，例如压电、摩擦电、压阻。在已报道的应变传感器中，压电和摩擦电器件因其自供电的特性而引起了广泛的关注。然而，瞬时电信号和电性能的快速衰减极大地限制了它们在电子皮肤应用中的进一步发展。不同于自供电应变传感器，基于压阻效应的电子皮肤，提供更接近人体皮肤的功能，能够实时准确地检测应变变化。压阻器件的电阻变化可以通过传感器的实时电子信号监测转化为电压变化，然后由微控制器识别，用于后续机器人控制。由于材料科学的快速发展，许多基于压阻效应的电子皮肤已经被报道，比如加入先进的导电材料，如石墨烯和聚二甲基矽氧烷（ PDMS ）复合材料、离子导电水凝胶、石墨烯涂层织物，为了获得足够的可重复性和稳定性，新开发材料的制造过程往往需要昂贵的设备和严格的实验环境。与这些应变传感器相比，基于金属电极的电子皮肤可以实现低成本、高稳定性和可重复性以及足够的电灵敏度。作为贵金属，金具有高抗氧化性，适合制作应变传感器。为了实现在人体皮肤表面的长期利用，电子皮肤应满足几个特性，包括 1) 极轻且不易察觉的架构，对身体运动没有任何限制和影响；2）与目标皮肤的皮肤兼容，具有柔软、弯曲的动态表面，稳定、安全，不易从皮肤表面分离；3) 卓越的操作性能特点，具有高灵敏度和准确度。
研究成果
本文报告了一种基于压阻效应的超薄皮肤集成应变传感器，具有出色的稳定性和可重复性。关键部件是分形曲线形式的金电极，对环境应变变化敏感。为了尽量减少器件对皮肤应变场分布的影响，传感器的整体尺寸设计为 5毫米 × 2毫米× 6.2微米（长 × 宽 × 厚），重量约 0.204 毫克。与基于压阻效应的传统应变传感器相比，该应变传感器具有极小的尺寸和薄的厚度以及具有竞争力的拉伸范围和灵敏度。在理论建模的分析下，先进的结构设计能够与大机械变形下的皮肤。为了在表皮表面的复杂纹理上产生紧密接触，液体绷带作为传感器和表皮表面之间的连接层。与常用的PDMS层相比，液体绷带具有超薄（1微米）、重量轻的优点。传感器和表皮表面之间的紧密结合使用户的运动不受阻碍，并以高度准确的方法提供对身体运动感应的精确测量。通过准确捕捉手指运动和脉搏率，该传感器为实时监测人体健康提供了一种有可行的替代方案。此外，利用应变传感器获得的信号，通过应用程序进行灵敏度调整，然后使用六自由度机械手来模拟人手的运动。相关研究以“Tattoo-like epidermal electronics as skin sensors for human-machine interfaces”为题发表在Soft Science期刊上。
图文导读
Figure 1. Flexible, ultrathin, skin-integrated and Au-based strain sensor.
Figure 2. Electrical characteristics of strain sensor.
Figure 3. Electrical signals of flexible strain sensor under different external stimuli.
Figure 4. Robotic hand controlling performed by flexible strain sensors.
总结与展望
作者开发了一种超薄的金基可拉伸应变传感器，用于身体运动识别和人机界面。它具有微型化的尺寸（5 mm ×2 mm×6.2 μm）、皮肤的可穿透性、高稳定性和可拉伸性等优点，使其可以紧密地安装在表皮表面上用于身体运动的捕捉。在20%的纵向和横向拉伸率下，其电信号输出ΔR/R0可以分别上升到0.76%和0.61%，并且可以在11.8%的频率下以1赫兹重复拉伸150次。用液体绷带作为封装物，应变传感器可以紧密地安装在表皮表面，可以测量人的脉搏率和行走动作。此外，应变传感器还被应用于机器人手部控制，它可以模仿人的手指动作它可以精确、流畅地模仿人的手指运动，而且几乎没有任何滞留。这项工作的结果显示了在身体运动测量和机器人控制方面的潜力，这表明柔性传感器的新战略在临床应用和人机界面的新策略。
文献链接
Tattoo-like epidermal electronics as skin sensors for
human-machine interfaces
https://dx.doi.org/10.20517/ss.2021.09
来源：i学术i科研