基于电子皮肤的新一代可穿戴设备和人机交互研究提供了新的思路

随着技术的发展，电子皮肤已然成为优异的“感知”输入端，缘于这种感知的传递，电子皮肤与医疗领域可谓是天作之合。电子皮肤能够实时监测呼吸、心率、体温等常规身体信号，再通过大规模的数据采集与分析，以实现对个体健康的早期诊疗。在此之外，电子皮肤还能实现对汗液中电解质、代谢产物等生理信息的全面感知，并丰富诊断信息。

近日，加州理工学院医学工程系高伟（Wei Gao）教授研究团队设计了生物燃料自供能的多模式传感电子皮肤，通过蓝牙通讯来实现实时的无创健康监测和人机交互，该研究成果以“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”为题，发表于Science Robotics，为基于电子皮肤的新一代可穿戴设备和人机交互研究提供了新的思路。

绝大部分电子皮肤的使用时间和寿命均受限于作为供能装置的电池，因此提升电子皮肤能量利用效率并且找到替代常规电池的能源装置就成为新一代电子皮肤的研究焦点。研究团队利用汗液中的生物质能作为能源，将生物燃料电池作为供能装置与生物及物理传感器集成于超薄透明的聚酰亚胺(PI)基底上构建新一代自供能电子皮肤。该生物燃料电池集合了零维至三维纳米材料并分别修饰相应的乳酸氧化酶与铂钴合金纳米粒子，能从汗液中直接获得高达3.5 mW cm-2的功率密度，并实现为电子皮肤持续供能60个小时。在充沛的能量供应基础上，研究者又进一步优化了能量利用效率，控制蓝牙模块通过休眠/激活模式的切换完成无线数据传输以降低电子皮肤的能量需求并延长连续工作时间。

生物燃料驱动的柔性电子皮肤用于多通道无线健康监测 集成在电子皮肤上的生物电化学传感器可以实现生理信息的实时监测，该研究利用尿素酶修饰的铵离子选择电极首次实现了汗液中尿素的实时监测；通过修饰pH选择电极材料和葡萄糖氧化酶，该电子皮肤亦可对汗液pH值与葡萄糖浓度实时监测。人体试验结果显示：汗液中铵离子，尿素与葡萄糖浓度都随着运动的进行而有一定程度的下降，而pH值则基本保持稳定；汗液尿素和葡萄糖的含量也随着营养食物的摄取而增加。这种自供能电子皮肤有潜力在人们的日常生活中实现实时的营养代谢监测和管理。 为进一步拓展电子皮肤在辅助医疗领域的应用，该研究将生物电化学传感器切换为应变传感器并置于手指与肘部，该电子皮肤以此传感器识别肢体的姿势并转化为电信号通过无线数据传输操控机械手臂移动抓取，或者利用肘部的传感器识别行走过程中手臂的移动，以此操纵机械假肢辅助行走。这种集成了生理信号和分子信息监测的电子皮肤也可以被用来优化设计未来的假肢机器人，使辅助医疗义肢变得更特异化、个性化。

自驱动电子皮肤用于控制假肢辅助行走 本文的通讯作者为加州理工学院医学工程系的高伟教授，论文的第一作者为课题组的You Yu博士。其他作者为 Joanna Nassar, Changhao Xu, Jihong Min, Yiran Yang, Adam Dai, Rohan Doshi, Adrian Huang, Yu Song, 以及加州理工学院机械工程系的Rachel Gehlhar 以及Aaron D. Ames 教授。