Electronic Skin: Recent Progress and Future Prospects for Skin-Attachable Devices for Health Monitoring, Robotics, and Prosthetics 电子皮肤：可贴附设备、机器人和假肢在健康监测领域的应用进展和未来展望

近年来关于电子皮肤的文章(e-skin)研究进展进行了广泛的研究和总结，重点关注三个主要应用领域（可贴附电子设备）(skin-attachable electronics)、描述了机器人和假肢所需的技术。 首先，由于电子皮肤需要承受不同来源的张力，需要对不规则表面进行良好的保形(conformal)效果好，内部延展性好(intrinsic stretchability)和自修复性(self-healing)材料很重要。 第二，触觉感知(tactile sensing)（对tactile sensing和haptic sensing这两个词有点令人困惑），如压力、应变、滑动、力矢量和温度感知，对健康监测设备、机器人和假肢对周围环境的感知和操作具有重要意义。 化学和电生理信号的检测和无线信号传输对于全面监控用户的健康状况和佩戴舒适性非常重要。 3.机器人和假肢可以实现D表面大范围，易于实现(facile)、可量产植入电子皮肤的方案非常重要。 此外，还需要研究仿神经设备的新使用(neuromorphic devices)提高触觉信息并行处理效率的信号处理技术，并保持低功耗。 对于假肢，神经界面电极(neural interfacing electrodes)研究很重要。 本文讨论了上述技术，并描述了其近年来的发展、当前的挑战和未来的前景。

领域名词:(自行提取) skin-attachable electronics robotics prosthetics intrinsic stretchability self-healing tactile sensing chemical sensing electrophysiological sensing wireless signal communication large-area integration neuromorphic devices neural interfacing electrodes

< 下面是一些看到有趣的东西，但是太长了，无法梳理出关注点(自己看这篇文章review也没什么重点)。整理一下，如果有人看到有兴趣的东西，就翻看引文。

实现柔性的路径有两种：

1. geometrically engineered:几何设计
2. intrinsically stretchable organic materials：柔性有机材料

常用作介电材料dielectrics的有：

• polydimethylsiloxane(PDMS),

• polyurethane(PU),

• polystyrene-block-poly(ethylene-ran-butylene)-block-polystyrene(SEBS)

These elastomers exhibit low dielectric constants(k < 3), which require the corresponding devices to be operated at high voltage.所以低介电常数意味着在高压下工作？

实现柔性导体的路径：

1. embedding conductive fillers into or placing them on elastomeric polymer substrates.植入导电填充物或放置在柔性基础上(主要途径)
2. 导电聚合物水凝胶：PEDOT：PSS
3. 液态金属 柔性基底包裹

**Table 2 **总结了柔性导体的拉伸性和电阻值(拉伸前后)

电阻在拉伸条件下的电阻变化可以在第一次加压循环中编程

在柔性显示和光电领域，需要高透光率的可拉伸电极。可用方案：银纳米线、石墨、碳纳米管CNTs、PEDO:PSS。并给出了透明电极的评价指标：直流导电性dc conductivity和透光性optical conductivity σ d c σ o p \frac{\sigma_{dc}}{\sigma_{op}} σopσdc​​

聚合物半导体一般在电子皮肤中用作active layers

最大的挑战：电子迁移率和拉伸性的平衡the trade-off between electrical mobility and stretchability

这一节概括了目前用于制作柔性电阻的材料以及其性能，这依然是开放领域。

Note: 直接拿基于聚合物的电阻和基于离子胶的电阻的电子迁移率mobility去相比，不合适，因为他们机理mechanism不太一样

标准光刻工艺不太适合有机电子元器件，因为容易被有机溶剂和极紫外光损伤。

1. 可以进一步稳定生产的工艺
2. 无线传输
3. 柔性导体、柔性介电材料和柔性半导体的综合研究，相互的影响，界面在应力作用下的影响。
4. 目前都集中在p-型半导体的研究，因为n-型的效果一般比较差，但如果有n型的可以拓宽应用的场景

意义：long-term robustness and reliability

分类：

一般来说，自修复材料根据原理可以分为两类

1. 基于微胶囊内的自修复因子(self-healing agents)
2. 基于动态键合(dynamic bonds)
   1. hydrogen bonds
   2. metalligand coordination bonds
   3. ionic interactions
   4. disulfide bonds
   5. π − π \pi-\pi π−π interaction

第一种的应用材料很受限，所以用于e-skin的一般用第二种材料

文中提到的一些已有人将自修复应用的例子，有需要可以查阅引文：

1. 触觉传感器 Tactile Sensors
2. 弯曲传感器 Flexion Sensor
3. 应变传感器 Strain Sensors
4. 湿度传感器 Humidity Sensors
5. 接近传感器 Proximity Sensors
6. 肌电传感器 EMG Sensors
7. 驱动器 Actuators
8. 显示 LEC

1. 目前应用的大多数都是复合物导体，半导体的发展比较慢
2. 复杂的自修复电路或设备尚未有人做，目前还处在概念证明阶段
3. 由于自修复材料的黏性(viscous nature)，很难实现高灵敏度、响应快、低迟滞、宽动态范围的传感器要求。
4. 自修复材料的工艺，和传统的硅工艺不兼容，需要发展图案化patterning、打印printing工艺。

定义上来说，就是不会对宿主(host body，或者说使用者吧)，产生负面影响

生物可降解(Biodegradable)的材料，也是兼容材料，但本文不讨论。

讨论生物兼容性需要针对具体应用讨论(application-specific)，不同的应用场景下对材料的要求不同。

一些研究，把一些纯天然材料（polypeptides, chicken albumen, nucleobases, sugars)用作有机场效应管OFET的介电层。

人工合成的材料，例如PDMS，被多个机构认定了生物兼容性(Page 15)，作为生物兼容性的判别工具。其他的人工合成材料还有PEG, PVA。

添加物颗粒影响：例如，碳纳米管CNTs，会有肺部毒性、皮肤刺激、细胞毒性(cytotoxicity)

皮肤呼吸：Someya提出了一种方法，用Au覆盖的PVA纤维进行制备，再将PVA用水洗掉，残留的Au具有很好的透气性

大部分的材料都没有针对生物兼容性进行深度的研究。

可用来检测生理信号(vital signs)，肢体活动和位置(本体感觉proprioception)。因此可以提供的信息有：

1. fitness
2. posture
3. abnormal gait pattern
4. sudden tremors in limbs

在柔性机器人上，更具备柔性传感器的应用需求。柔性机器人由于使用弹性体，一般都有非线性、迟滞性和粘滞性，使得本体感知更难。

Figure8 a是不同的触觉传感器的论文数量

Figure8 b是触觉传感器的共性问题（迟滞和恢复时间长），和理想状态

压阻传感器的三种原理：

1. 交联网络(percolation network)的改变
2. 压阻材料和电极接触电阻(contact resistance)的改变
3. 材料本征电阻(intrinsic resistance)的改变

大多数压电传感器都是含有介电层的三明治结构。

微结构的几何尺寸，例如边界的角度、底座的尺寸、微金字塔的间隔等都先通过有限元FEA，再通过实验验证。Bao。引文[163, 172]

单壁碳纳米管金字塔的加工工艺

通过微流道做微小球的加工工艺

检测声音(<30Pa)，检测微小物体(4Pa)，检测脉搏信号(2kPa)，检测触摸(<10kPa)，检测运动(<25kPa)

Cho et al. 通过仿生，设计了层次化的结构（微半球上还有凹凸不平），来提高线性性。

压阻应变传感器的实现路径

• 将导电材料置植入弹性体中embedding the conductive material within an elastomer matrix
• 在弹性体基质上覆盖导电薄膜 coating a thin film of conductive material

Promising material:

1. structurally engineered metal and Si nanoribbons
2. CNT
3. graphene
4. nanoparticles(NPs)
5. nanocrystals(NCs)

例子

热阻效应

• Cu-NW mesh 传感器： 0.7Ω/℃ (室温到48℃)

• rGO-based thermoresistive sensor：0.83%/℃ （22~70℃）

• Ag-NC film on PDMS substrate: 50%/℃ (30~50℃)

• polyaniline nanofiber-based film：1.0%/℃，但线性度极高(R^2=0.998)

热电效应

• porous PU and PEDOT:PSS：<0.1K的分辨率
• rGO-based and PVDF：2.93%/℃（0~100℃）

分离压力、应变的影响

• 方法一是采用蛇形或者岛状结构以减少应力
• 方法二（Oh and co-workers)则利用不同热阻系数的两种传感器，将由于温度和由于应变产生的信号区分开

由于需要动态监测，所以piezoelectric压电和triboelectric摩擦发电原理的应用较多

滑动：

• Ko and co-worker用振动的频率分辨
• Zhang 模仿指纹结构，利用电极的通过顺序判别

力矢量

• Beccai 利用顶部电极和底部四个分散的电极形成四个电容传感器分辨
• Bergbreiter 利用将一个导体放在另外三个导体之间，通过力作用导致的接触面积变化分辨方向
• Bao 利用上部金字塔电极，下部圆球电极，并用在机器人的剪切力检测上（不知道怎么计算出来的）

路径1：同时检测一个传感器的多种类型的输出（电容、电阻等），从而解析出不同的物理刺激

路径2：制备只对单一物理刺激敏感的传感器（例如对弯曲不敏感、或对压力不敏感等）

1. 传感器制备的统一性（uniformity）。因此掺杂过程、溶液的分散需要更加可控，避免随机性。
2. metrics衡量指标的不统一，导致论文间的传感器性能比较难以实现
3. 单一刺激的测量依然是很难做到的
4. 主要集中在压力传感，滑动和力矢量的检测研究较少
5. 有自修复性能才能更好地模仿皮肤（mimic skin）

Focus：chemical and electrophysiological sensors 化学和生物电传感器

化学传感器包括：

• electrochemical devices：包含参考、工作和辅助电极，主要基于电势或电流信号分析
• chemiresistors：化学敏感电阻。
• transistors：包含半导体层、介电层和源漏栅电极。

生物液包括：汗液tear、唾液saliva、尿液urine、汗液sweat、间隙液interstitial fluid

汗液：

• 由于需要局部和按需产生的汗液，研究了局部诱导汗液产生的技术（FDA已批准）（100nL/(min*cm^2)

ISF的获取

Ion-selective electrodes：具有离子选择性的电极

2001年，FDA批准了第一个商用非侵入式乳糖传感器。但后续用户表示有不适和皮肤刺激，又被禁止

1. 物质在血液和在其他生物液里的浓度关系需要进一步探究
2. direct and reverse iontophoresis虽然可以局部诱导生物液导出。但获得的液体可能被获取过程改变组成成分，例如皮肤表面汗液蒸发、表面污染物、旧汗液的混杂等等
3. 生物标记依赖于生物酶，需要保证长期的稳定性和可靠性

生物电传感器一般由三个电极组成：recording，reference，ground

传统的生物电传感系统(conventional EP sensing system)的问题

1. 使用复杂，不方便；

2. 信号分析复杂，需要专门医师负责；

3. 目前大部分新的生物电传感器都需要外接电脑使用，Kim提出了带memory的EP sensor

4. 干电极的重要性（替代conductive medical gel)，粘附性的研究

5. 拉伸性

Bao认为still far from being of practical use in skin-attachable electronics

模仿不同的皮肤部位对空间分辨率有不同的要求，例如指端需要1mm的分辨率，而手掌只需要5mm。

缩小尺寸，提高密度，由于模拟信号减弱，会带来信号干扰(crosstalk)的问题。

active matrix 比 passive matrix 有更好的控制、更低的干扰、更少的线路、更低的功耗。但工艺复杂

希望通过低阻材料的研究和3维结构的创新，减小寄生电容的影响。

另外一种实现空间分辨的方法：Electrical Impedance tomography(EIT)。通过在一大块压阻材料周围步电极，根据不同电极间的电流、电压，分析出材料的电阻分布。

讨论制备可拉伸电子皮肤和不同基于溶液的图案化技术

制备电子皮肤设备的方法：

• 模板滤取template leaching
• 气相沉积vapor-phase deposition
• 光刻photolithography
• 转印transfer processes
• 基于溶液制备solution-based：ink-jet printing;
• 3D打印3D-printing
• 传统覆膜技术：将敏感材料喷涂或刷在所需要的曲面上

人体平均表面积大约为 1.7 × ( 1 0 6 ) m m 2 1.7\times(10^6) mm^2 1.7×(106)mm2。

刚柔混合的电子器件的其中一个主要难题是：硬材料和软材料间的模量不匹配，会导致交界面的应力。

其中一个解决办法是（gradient interface)，在中间加入些模量中等的材料。

解决在人体结构上贴附所需要的3维曲面的方案：

1. 预先根据要贴附的区域，合理设计形状或曲面
2. 3D打印

难点：

1. 难以集成多种传感功能。由于加工精度、逐层加工的限制和大面积的统一性。
2. 刚柔混合的电子器件是最有可能在近些年来实现商业化的

目前，主要的努力方向是基于商用的无线设备，例如蓝牙和NFC进行无线传输系统的设计，但这会牺牲柔性和穿戴舒适性。

柔性的方案：电磁耦合Electromagnetic coupling

设计时注意传感器的频率选择，一般来说，随着器件的尺寸减小，频率会上升。

对于植入性设备，无线传输就更为重要了。

在无线传输系统中一个重要的取舍：传感器的尺寸和传感器和读取系统的距离。

还有不同皮肤区域的介电常数对信号的影响

传感器变形带来的结构变化对信号的影响

问题：由于大量传感器带来的海量数据，会带来接线的复杂、高能量消耗、信号处理时间长的问题，并且模拟信号容易受到干扰。

SNN(spiking neural network)是为了解决上述问题而发展起来的仿生技术。模拟大脑低功耗地并行处理大量数据的能力。

神经电极考虑的三个因素：

1. 电学性质electrical properties
2. 机械性能mechanical properties
3. 生物兼容性biocompatibility

发展历程：从金属–随着微纳加工技术发展-到重掺杂半导体（但由于弯曲模量太大，容易发生不良反应）-导电聚合物（PPy，PEDOT，Carbon-based）和水凝胶Hydrogel