模仿人類皮膚感知功能的電子皮膚（E-skin）是一種新型的柔性可穿戴傳感器，具有輕薄、柔軟、靈活等特點，可將外界刺激轉化為不同的輸出信號，因此在智慧醫療、人機交互（HMI）、虛擬現實（VR）和人工智能（AI）等領域具有廣闊的應用前景。目前E-skin大多需要與外部電源集成，以及多設備協調。除了傳感部分外，大多數組件通常都是剛性的，這極大地影響了E-skin的美感、舒適性和安全性，也對信號采集產生了不利影響。因此，迫切需要開發和構建輕薄、柔軟、高透明度和高穩定性的一體化自供電的透明E-skin。

現有E-skin通常依靠有線電源、剛性電池或能量收集裝置來供能，這些供能裝置存在諸多不足，如有線、剛性、笨重以及不穩定等，因此亟待開發一種與之相匹配的柔性儲能裝置。美觀也是E-skin走向實用化所追求的重要目標，實現透明化E-skin，可提升佩戴者的視覺和美學感受。另外，E-skin的透明效果可為其功能設計增加額外維度，例如附加光伏能源收集和變色效果等功能。然而，目前報道的E-skin大多不透明或部分透明，這主要源于結構設計、材料選擇和滲流理論的限制。理想的柔性E-skin應該是其所有組成部件能夠滿足可拉伸性、透明性、高度集成，具有獨立穩定可靠的能源供應組件，以及無線信息傳輸功能。

近日，蘭州大學物理科學與技術學院蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊提出了一種一體式自供能的全透明柔性E-skin，該系統由透明超級電容器、可拉伸透明應變傳感器和蛇形電阻組成。以富含氧空位的氧化鉬納米線為活性材料，利用納米纖維素調控光折射率，形成自支撐紙電極，構成的柔性透明超級電容器表現出優異的柔性、透明性和電化學性能。由一維銀納米線和二維MXene納米片構建的“島橋結構”應變傳感器具有極高的靈敏度，1%應變條件下，GF因子高達220，與同類型器件相比高出2個數量級。超級電容器作為“隱身”電源可為一體式E-skin系統進行供電。實驗結果表明，在動態和靜態形變情況下，無論應變范圍大小，均表現出優異的傳感性能。充電后，一體式E-skin貼敷于人體皮膚，可實現對脈搏、吞咽、肢體運動等微弱生理信號和大范圍肢體運動等的多尺度人體活動的實時檢測。

該研究成果以“Transparent Electronic Skin from the Integration of Strain Sensors and Supercapacitors”為題在Advanced Materials Technologies上發表，并被遴選為“Editor’s Choice”研究論文。蘭偉教授為論文的通訊作者，碩士生梁杰為論文的第一作者，博士生盛鴻偉和萃英博士后馬鴻云為論文的共同一作。

蘭偉教授領銜的柔性電子科研團隊長期從事柔性電子學方面的應用基礎研究，2017年首次提出基于一維銀納米線網絡的柔性透明熱療片（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9(7): 6644–6651.），可貼敷于人體關節處，自由調節熱療溫度，能實時觀察治療部位的皮膚狀態，緩解手腳冰涼、關節損傷、風濕等疾病，有望替代傳統的加熱片、加熱墊或加熱膏。

2019年，將銀納米線網絡作為超級電容器的集流體（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(9): 8992–9001.），在表面原位垂直生長了二維納米片陣列作為活性材料，同時實現了器件高透明度和出色的電化學儲能特性。為了擺脫滲流理論限制，團隊研發出了直徑在兩三百納米、長度在幾十厘米的超大長徑比銀納米纖維，通過控制纖維排布方向，可獲得大面積柔性透明電極，將互為矛盾的導電性和透光率兩個關鍵指標同時獲得了大幅度提升。

2021年，將銀納米纖維網絡作為超級電容器的集流體，設計構建了銀納米纖維與氧化鉬納米線復合的電極結構，在不犧牲透光率的前提下實現了器件電化學儲能特性的大幅度提升（Nanoscale Adv., 2021, 3(12): 3502-3512.），文章發表后被選為Popular Advances主題論文。

同年，團隊通過調控銀納米纖維的排布方向，發現基于定向排列銀纖維網絡的透明熱療片顯示出非常優異的透明性、導電性和機械穩定性，并且實驗結果與有限元理論模擬結果完全吻合。該透明熱療片可應用于人體關節熱療和輔助血氧飽和度測試，并且首次發現熱療對皮下腫瘤生長具有明顯的抑制效果，從Notch1、Jagged1和Hes1三個信號通路上解釋了熱療抑制腫瘤生長的內在機理，證明了其在智慧醫療領域的應用潛力（Adv. Funct. Mater., 2022, 32(21): 2111228.）, 文章發表后被編輯選為Back Cover。系列研究成果被AAAS網站EurekAlert!、Tech Xplore、Medical News Today、新華社、科技日報、光明日報、科學網等上百家國內外媒體網站進行了熱點追蹤報道，多個相關技術已獲得中國發明專利授權。

圖1. 一體式自供能柔性透明E-skin集成系統的示意圖

 

圖2. 一體式自供能全透明E-skin貼敷于人體皮膚進行健康運動監測

上述研究得到了國家自然科學基金委面上項目、甘肅省自然科學基金、青海省科技合作項目和中央高?；究蒲袠I務費等項目的大力支持。

文章鏈接：

Liang J.#, Sheng H.#, Ma H.#, Wang P., Wang Q., Yuan J., Zhang X., Shao M., Li W., Xie E., Lan W.*, Transparent electronic skin from the integration of strain sensors and supercapacitors[J]. Adv. Mater. Technol., 2022: 2201234. 

https://doi.org/10.1002/admt.202201234.