电子皮肤热点核心材料及其在生命健康领域中的应用研究进展

张 晟，曾俊彦，尚方方，曾祥琼

(1 浙江大学 机械工程学院，杭州 310027;2 浙江大学宁波研究院，浙江 宁波 315100;3 浙江大学 工程师学院，杭州 310015；4 中国科学院上海高等研究院 绿色化学工程技术研究与发展中心，上海 201210)

皮肤是人体的最大器官，作为人体感知交互界面，能够感应到外界的机械压力、温度、化学等刺激[1-2]。在过去的几十年里，可穿戴传感器因其在健身、医疗保健、人体运动和环境监测等领域的广泛应用而备受关注[3-6]。近年来，研究者们开发了一系列人工皮肤来模仿人体皮肤的特性和功能，这些人工皮肤的本质就是各种类型的传感器，可以感知外界的各种信号并记录为不同的电信号，因此这类人工皮肤又叫电子皮肤[7-9]。在电子皮肤的厚度、抗弯刚度、有效弹性模量可以与人体皮肤特性相匹配等一系列关键技术取得重大突破后，电子皮肤受到了多学科研究人员的高度重视，符合未来的发展需求，现已成为当今国际学术研究的热点之一[10-12]。

电子皮肤因其独特的相容性和可穿戴的舒适性，在健康医疗监测、仿生假肢和人机交互等领域表现出广阔的应用前景[3,10,13-14]。例如：(1)电子皮肤可以检测人体的温度和湿度，进而可以提前对一些疾病进行诊断和预测；(2)柔软的传感系统可以重塑病人的触觉，减弱病人对于假肢的隔离感，并灵活自如地驱使仿生肢体；(3)基于轻薄柔软的传感器，电子皮肤可以做到便携、佩戴舒适，在人机交互等领域具有极大的应用优势。电子皮肤是由多种材料构成的，包括零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)、三维(3D)微纳米材料，如0D纳米颗粒、1D纳米线、2D纳米片和由上述0D，1D和2D微纳米材料形成的三维结构[15-18]。这些微纳米材料因具有高的比表面积和优越的导电性，是传感应用的最佳基础材料[19-22]。此外，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和各种材料形成的水凝胶也是电子皮肤的基础材料[19,23-25]。

电子皮肤的应用归纳为三类：面向健康监测的电子皮肤、运动监测的电子皮肤和气体监测的电子皮肤。对于用于健康监测的电子皮肤，可以实时监测体温、脉搏、心电图等物理参数，以及人体体液中的葡萄糖、多巴胺、pH值、各种离子等众多生物标志物和生化参数，帮助个体保持健康。用于运动监测的电子皮肤不仅可以监测大规模的人体运动(如手指弯曲和肘部弯曲等)，而且可以监测小规模的人体活动(如吞咽和脉动等)。用于气体监测的电子皮肤在环境中的有毒气体监测以及工业中的安全诊断起着重要的作用。本文对人工电子皮肤的热点核心材料及其在生命健康领域中的应用现状进行了综述。在此基础上，本文还对电子皮肤目前存在的问题进行了分析，并对未来研究趋势和应用前景进行了展望。

1 电子皮肤的组件及其常用材料

在物联网新时代，人们对新型可穿戴传感器的开发需求巨大，电子皮肤由于其独特的力学性能，已经在健康监测、敏感触觉信息获取、微创手术和假肢等方面表现出了广泛的应用前景。从原理上看，目前电子皮肤使用的传感器设计主要采用了压阻式原理或压容式原理[26-27]，即在传感器受到拉伸和压缩时会引起电阻值或电容值的变化，通过建立电阻或电容与形变量的关系，就可以获得人体运动或者部位受力情况的信息。基于压阻式原理的这一类传感器灵敏度较高，制备工艺比较简单；但是稳定性比较差，能耗高，受温度影响比较大使其应用受到了一定的限制。基于压容式原理的传感器几乎不受温度的影响，稳定性比较高且具有极快的力学和电学响应；但与压阻式原理的传感器相比，电容式传感器制备工艺比较复杂、灵敏度较低、易受电磁干扰。基于不同原理的电子皮肤传感器有着各自的优缺点，因此电子皮肤传感器的发展正在一步步地通过对材料和结构的改善朝着大规模市场应用的方向迈进。

从结构设计上看，电子皮肤一般由基底层、传感层和封装层组成，类似于“三明治结构”。其中，基底层应该具有一定的强度和优良的拉伸性，通过相应的工艺处理为感应层提供附着位置并且起到一定的保护作用。一般使用具有良好透明度和优良延展性的柔性弹性体作为电子皮肤传感器的封装层；使用导电性良好的导电材料作为导线来连接构成外部信号采集电路[27-29]。具体的制作工艺包括薄膜基底层的制备、电子元件嵌入和封装三部分。目前主要有两种方法制备具有可拉伸性的电子皮肤设备：(1)对常规电子器件进行几何图案设计[30]；(2)使用本质可拉伸的材料制成电子皮肤设备[31]。例如Yang等[32]将传统的剪纸结构应用于柔性电子器件，从实验和力学等多个方面验证了剪纸结构可以达到几个数量级的拉伸应变。此外，马蹄形和蛇形等几何形状也可以使刚性材料获得一定的应变能力[12]。这些构建柔性可拉伸导电体系的策略为实现柔性可拉伸的电子皮肤器件提供了坚实的基础。

人体皮肤除了敏感的感知能力之外，另一个重要特征就是能承受一定程度的弯曲和拉伸，抗疲劳能力强。因此电子皮肤要包括拥有与人类皮肤相似的自愈合能力、抗疲劳能力、柔韧性等[33]。为了实现这些性能，最基本的方法就是选择合适的材料，电子皮肤性能的好坏很大程度上依赖于最初材料的选择。纳米材料已成为具有广泛应用的新兴研究领域之一，与其他材料相比，其具有独特的物理性能(如极高的比表面积、超薄、高柔韧性和可拉伸性、出色的附着力等)、电化学性能(如优异的电性能、催化性能等)，在传感应用中，能够增加接触面积而显著改善检测功能[34-37]。纳米材料的这种独特的物理特性使其非常适合用作电子皮肤的传感材料。本文将电子皮肤的应用现状分为健康监测、运动监测和气体监测三个方面，表1[32,38-64]对电子皮肤在这三个应用领域的热点核心材料进行了归纳总结。用于健康监测的电子皮肤热点核心材料主要有零维到三维微纳米材料、PDMS等聚合物材料、水凝胶材料及其复合材料等，其应用包括监测人体的物理参数(例如温度、脉冲、心电图等)和生化参数(例如葡萄糖、多巴胺、pH值、各种离子等)；用于运动监测的电子皮肤的材料主要有水凝胶和二维纳米片，常见的有MXene纳米片、Parylene C纳米片、SBS纳米片、PEDOT: PSS纳米片、氮化硼纳米片和Al: ZnO纳米片，其中MXene纳米片是最广泛应用于运动监测电子皮肤的纳米片，其应用包括监测人体微小运动(例如吞咽和脉搏等)和人体部位较大的运动(例如手指弯曲和肘部弯曲等)；用于气体监测的电子皮肤的材料主要是纳米材料，包括零维(0D)纳米颗粒、一维(1D)纳米线、二维(2D)纳米片和三维(3D)纳米结构等，这些纳米材料已代替某些半导体金属氧化物、过渡金属二卤化物和其他块状材料而成为气体传感器的核心材料。

表1 电子皮肤在健康监测、运动监测和气体监测应用领域的热点核心材料[32,38-64]Table 1 Core materials of electronic skin in the fields of health monitoring,exercise monitoring and gas monitoring applications[32,38-64]

Continued table 1

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2 人工电子皮肤及其应用

2.1 人工电子皮肤及其在健康监测中的应用

近年来，随着经济社会的快速发展，人们对健康监测的电子皮肤进行了大量的研究工作[65-66]。迄今为止，电子皮肤能够监测人体生物中的物理参数(例如温度、脉冲、心电图等)以及生化参数(例如葡萄糖、多巴胺、pH值、各种离子以及人类汗液和皮肤组织液(ISF)中的物质等)[3,12,67](图1)。

图1 电子皮肤监测人体生物中的物理参数和生化参数Fig.1 Application of electronic skin in detecting physical and biochemical parameters in human organisms

温度是人体最重要的物理参数之一，可以直接影响人体生理活动中的化学反应过程。柔性温度传感器与人体皮肤器官完美结合，不仅可以进行体温实时监测及对一些机制受损或不健全的人群进行体温调控，而且可以进行长期的体温监测，预防一些疾病的发生[68-69]。Yang等[32]开发了一种基于MoS2纳米片的剪纸柔性电子器件，这种中国剪纸结构赋予了表皮传感器高度的舒适性、柔韧性、延展性和弯曲性。因此，这种电子器件不仅可以作为人体皮肤上的表皮温度传感器，还可以作为高度形变关节和器官的光电探测器(图2)。尽管人们做出了许多努力来制造多种柔性温度传感器，但它们都没有足够的可拉伸性和生物相容性，可以像皮肤一样贴合人体，起到控制蒸发和防水的作用。因此Chen等[38]受人体皮肤水分蒸发控制的屏障功能及相应结构启发,以具有多孔结构的半透膜为基材，开发了一种具有优良的透气性和优质的防水性的可延展柔性类皮肤传感器。该生物相容性温度传感器在人体皮肤上柔软透气，与水银温度计相比具有优异的精度。这些研究证明了将传感器应用于长期体温传感以及机器人或假肢人工皮肤的传感功能的可能性和可行性。

在现代医学实践中，脉搏和心跳也是人体健康的重要参数，为无创医学诊断提供了大量有用的信息。具有压力传感功能的电子皮肤可以通过直接测量接触力、按压力等检测脉搏和心跳等生理信号[3,39-40,70-71]。PDMS因在化学惰性、宽温度范围内的稳定性、透明度、可变的力学性能等方面有优势，而广泛用于电子皮肤和生物学研究等领域[72-75]。Wang等[39]提出了一种简单且低成本的方法来制造大面积图案化的PDMS，然后将纳米材料分散喷涂或纺丝到图案化的PDMS薄膜上形成电子皮肤。将所制备的可折叠的电子皮肤放置在手腕挠动脉处，可以通过明显的腕脉差异来分辨健康人和孕妇(图3)。此外，电子皮肤也可以应用于实时监测心电图。Zahed等[40]使用了可以相容的聚合物(聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS))喷涂在激光诱导的石墨烯上，以形成干燥电极。由于电极薄且柔软，可以有效地附着在人体皮肤上，心电图信号可以在一个移动应用程序中得到演示，通过将参与者的手指与优化的干电极连接起来，该表皮传感器可以实时、长期地监测心电信号。

糖尿病已经成为现代生活方式疾病之一，世界卫生组织已宣布它是一种全球流行病，每年都会造成大量的死亡[76-77]。因此，需要开发一种便捷可靠的新型血糖监控技术，对患者体内中的葡萄糖含量进行实时监测，而电子皮肤就能长期保持对人体生理信号的实时监测[78]。Wang等[79]介绍了过去10年中关键电化学葡萄糖生物传感技术的发展，包括：(1)新兴纳米材料在酶-电极界面上的扩散应用；(2)开发新的保护性防生物污垢策略；(3)无创和微创电化学传感平台与可穿戴生物电子技术的快速集成；(4)具有 10～14天寿命的先进CGM设备、自供电传感器、低成本纸质诊断设备以及各种糖尿病生物标志物的多重传感的出现等。Bandodkar等[41]将基于酶的安培生物传感器与间质葡萄糖的反向离子电渗析法结合起来，开发了一种基于纹身的无创葡萄糖检测平台，用于葡萄糖监测。其传感器是由一对反向离子传异电极(Ag/AgCl)、一个参比电极/对电极(Ag/AgCl)和工作电极组成。新的基于皮肤纹身的葡萄糖检测系统使用较低的电流密度来提取ISF葡萄糖，然后使用葡萄糖氧化酶(GOD) 进行选择性电流生物传感。这项研究不仅可应用于有效的糖尿病管理，也为其他生物信号和生物标志物的无创监测提供了新思路。此外，Vasylieva等[42]开发了一种Silicon/SU8聚合物多传感针状生物传感器，是在一个具有10050 μm2横截面的3 mm长的微针上微加工而成，由多电极阵列组成，包括表面积为40200 μm2、间距为200 μm的三个铂平面微电极。该生物传感器成功地在大鼠皮质中同时监测胰岛素和葡萄糖给药期间的葡萄糖和乳酸，同时在植入过程中还可减少组织损伤[42]。尽管有了这些令人鼓舞的最新发展，但有效地使用无侵入性葡萄糖监测系统，仍需要进一步大规模验证及优化研究，以提高其可靠性和准确性。同时，将机器学习技术与多路复用技术相结合，可以显著改善糖尿病管理。

除了监测葡萄糖外，电子皮肤也可以通过人体的汗液和生物组织液检测人体的物理和化学信号[80]。如电子皮肤可以检测人体生物液中的多巴胺。多巴胺是中枢神经系统中重要的信息传递物之一，它包含了人类的兴奋、期待和渴望等情感，多巴胺水平过高或过低都可能导致相应的疾病。因此，多巴胺的体内和体外的测量一直是生物医学化学、神经化学、诊断和病理研究领域的重要课题[81-82]。Oh等[43]基于单壁碳纳米管(SWCNT)网络薄膜构建了一种柔性透明的多巴胺传感器。碳纳米管具有高电导率、比表面积和表面污染小等优异性能，与其他工程材料复合，可使材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善，是制备生物传感器的理想材料。通过电化学掺杂，SWCNT网络薄膜(Eox-SWCNT)对多巴胺的电催化活性大大提高。这种SWCNT网络薄膜与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)一起可用于表皮贴片传感器中，以实时监测汗液中的多巴胺等生物标志物。

电子皮肤不仅可以监测汗液中的葡萄糖和多巴胺，还可以监测电解质，包括钠离子、氯离子、钾离子和许多其他离子[44,83-85]。例如，Sonner等[44]开发了一种用于刺激汗液排放并感知汗液中的钠离子的新型电子皮肤传感器。这种传感器基于卡巴胆碱的阻抗离子电渗特性对汗液进行分析，具有良好的选择性，且与其他传感器兼容，不会导致交叉污染，在表皮电解质的传感方面取得了巨大进步。此外，汗液中的氯化物浓度也是诊断囊性纤维化(cystic fibrosis,CF)的一个指标。因此，对氯离子监测的研究也具有重要意义[85]。Choi等[45]开发了一种用于监测氯化物浓度的实时表皮传感器，将使用带蓝牙收发器和移动应用程序的可穿戴传感器的实时测量数据与10名CF个体和10名健康受试者的常规汗液测试结果进行比较，发现此可穿戴传感器仅需要少量的汗液，即可在汗液诱导后15 min内实时测量汗液中的氯化物，并且与标准方法具有极佳的一致性。此外，Zhai等[46]将垂直排列的蘑菇状金纳米线(v-AuNW)作为可拉伸的离子-电子换能器，用于汗液中相关物质的原位电位分析。通过用聚苯胺、钠离子团X和基于缬氨霉素的选择性膜修饰v-AuNW电极，可以分别检测pH值、钠离子和钾离子，具有高选择性、重现性和稳定性，为无创可穿戴汗液分析提供了良好的技术支持。Sempionatto等[47]采用光刻和电子束蒸发沉积的方法，开发了一种由PDMS层、含微通道的PDMS层和与皮肤接触的粘接层组成的柔性电位检测微芯片，对钾、钠离子具有优异的感知能力。运动过程中，汗液通过钠和钾离子的离子选择电极(ISE)泵入电位检测腔进行检测，解决了早期电位电子皮肤传感器遇到的汗液混合问题。

虽然电子皮肤在无创生物检测方面很有前景，但还需要更好地了解分析物浓度和无创流体之间的相关性来提高其可靠性，不断开发新的分析及传感技术以实现对更多生物标志物的监测，并对可穿戴生物传感器的性能进行大规模验证研究，以实现临床应用。

电子皮肤在监测生理状况方面起着重要的作用，例如，监测pH值可以预防慢性伤口的感染过程，pH值也与伤口的血管生成和蛋白酶活性有关[86-88]。由于水凝胶具有可拉伸、柔软和生物相容性等特性，且其富水环境和多孔微结构使其对离子具有良好的传导性，可通过离子进行电信号的传导来模拟人体皮肤的感知能力，因此在电子皮肤中应用广泛[89-90]。Liu等[48]在室温下简单混合改性纤维素和盐溶液，得到pH值和氧化还原双重响应的纤维素水凝胶，该方案操作简便，有助于pH值响应水凝胶传感器的实际应用。为了持续地监测皮肤的pH值，Tamayol等[49]将pH敏感染料加载到介孔微颗粒中，通过微流体纺丝技术将微粒掺入水凝胶纤维中，构建了用于表皮检测pH的水凝胶纤维，不仅可以实时监控汗液中的pH值，而且可以捕获水凝胶纤维的图像。在实时监控过程中，可以获得下层组织和pH传感纤维的定量pH图。因此，这种新颖的表皮水凝胶pH敏感纤维可用于监测伤口愈合过程。

2.2 人工电子皮肤及其在运动监测中的应用

皮肤纳米传感器在人体运动与肌肉活动方面应用也非常广泛[91-92]。水凝胶作为一种性质柔软的高分子网络体系在构建用于运动监测的人工电子皮肤中发挥了重要的作用[4-5,11,93]。Xu等[50]将牛乳酪蛋白钠盐(sodium casein，SC)和多聚多巴胺(PDA)成功地引入聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶体系中，制备出坚韧、黏性好的SC-PDA水凝胶。该水凝胶具有强烈的黏合行为，可黏合各种材料甚至人类皮肤。此外，钠离子使SC-PDA的导电性依赖于其变形，可作为灵活的应变和压力传感器直接检测大规模人体运动和微小生理信号。针对传统导电水凝胶在常温下易失水、在低温下易结冰的问题，Ma等[51]研制了一种柔性、耐磨、抗冻、可愈合的皮肤纳米传感器。将丙烯酰胺(AM)、苯硼酸接枝海藻酸钠(Alg-PBA)和聚乙烯醇(PVA)依次加入到含有rGO的乙二醇(EG)/水溶液中，进行聚合获得导电纳米复合有机水凝胶。该水凝胶具有优异的低温耐受性(-40 ℃至0 ℃)及良好的自愈能力，灵敏度高，检测范围广，可实时稳定记录大变形、微小变形的低温人体活动。这一研究为制造具有超灵敏的耐温性、长期耐湿性和自愈合能力的可穿戴传感器铺平了道路，在智能电子皮肤、医疗保健监测和人机界面方面具有潜在的应用。然而，对于许多导电水凝胶传感器来说，由于其力学性能与人体皮肤不匹配，导致不稳定的阻力变化响应，从而会造成对人体运动监测的不准确性，为了解决这一问题，Zhang等[52]采用聚多巴胺修饰的还原氧化石墨烯纳米片(PDA-rGO)复合聚乙烯醇，制备出PDA-rGO/PVA导电水凝胶，由于大量的氢键作用，提高了水凝胶的力学强度，使其能够更好地匹配皮肤模量(78 kPa)和皮肤拉伸性。将其组装成可穿戴电子皮肤，在监测微小(吞咽和脉动)和较大(手指弯曲和肘部弯曲)的人类活动方面显示出了良好的性能(图4)。

图4 可穿戴式PDA-rGO/PVA水凝胶应变传感器检测微小的人体运动[52](a)手腕上微小脉冲检测的示意图；(b)相对电阻随运动前后的脉冲信号变化而变化的曲线；(c)用于吞咽检测的示意图；(d)五次吞咽期间的相对阻力变化Fig.4 Detection of tiny human motions by the wearable PDA-rGO/PVA hydrogel-based strain sensors[52](a)schematic diagram for the detection of tiny pulses on the wrist;(b)relative resistance changes from the pulse signals before and after running;(c)schematic diagram for swallowing detection;(d)relative resistance changes during five swallows

二维纳米材料具有高比表面积，是运动监测电子皮肤常用的一类材料。常见的有MXene纳米片、Parylene C纳米片、SBS纳米片、PEDOT: PSS纳米片、Al: ZnO纳米片和氮化硼纳米片[34,94-96]。在这些纳米片中，MXene纳米片是应用最广泛的用于运动监测电子皮肤的纳米片[97-98]。Yang等[53]研制了一种独特的Ti3C2Tx-MXene纳米颗粒-纳米片杂化网络，其中纳米颗粒的迁移会导致电阻的大幅度变化，而纳米片的包裹会桥接分离的纳米颗粒，从而维持大应变区导电通路的连通性。纳米颗粒和纳米片的协同运动赋予了混合网络优异的机电性能，使应变传感器具有全范围人体运动检测的能力。尽管最近取得了令人印象深刻的进展，但单类型多功能传感器在低应变检测能力(小到动脉脉冲)、高可拉伸性(大到全身运动)、超高灵敏度、可调谐传感范围和薄设备尺寸方面的集成能力仍然是一个挑战。因此，结合合理的传感材料和几何结构的设计，有望成为实现这些目标的有效方法。Cai等[54]使用分层Ti3C2Tx-MXene薄片和CNT开发了具有非凡灵敏度、低检测极限、高延展性的电子皮肤纳米应变传感器，并系统地研究了各种三明治型Ti3C2Tx-MXene/CNT薄膜的压阻特性。这种结构允许相邻重叠的Ti3C2Tx-MXene层和相互连接的碳纳米管之间通过相互滑动改变各层之间的重叠区域和相互连接路径，从而改变其接触电阻。Ti3C2Tx-MXene/CNT电子皮肤应变传感器为未来交互处理、假肢反馈和可穿戴传感提供了一个很有前景的平台，可用于健康和人体运动应用的全面监测。为了开发具有可靠抗冻、长期保湿和较长稳定性的导电水凝胶弹性应变传感器。Liao等[55]以MXene纳米复合水凝胶为原料，通过简单的溶剂置换制备了一种防冻、不干燥、自修复的MNOH电子皮肤纳米应变传感器。将导电的MXene网络加入水凝胶聚合物网络中得到MNH，然后将得到的MNH侵入乙二醇溶液中，溶剂置换部分水分子得到MNOH。其中水分子和乙二醇分子之间形成的大量氢键阻止了冰晶格的形成，同时也阻碍了水的蒸发。因此，MNOH在低温(-40 ℃)下能够保持不冻结和柔性，并显示出稳定的持久保湿特性。此外，PVA和四羟基硼酸根的羟基之间的动态交联以及乙二醇、PVA和MXene之间的超分子相互作用赋予了MNOH的自愈能力，这项工作为电子皮肤在人机交互和个性化医疗监测中的应用铺平了道路[55]。基于其他纳米材料的电子皮肤传感器也可以用于人体运动检测，例如，Kim等[56]基于分散在PDMS中的氮化硼纳米片(BNNS)构建了一种透明且柔韧的电子皮肤传感器。BNNS是压电有源元件，而PDMS是柔性元件。该装置可通过人体运动自供电，具有高生物相容性、灵活性和透明度等优点，可有效监测人体运动。

2.3 人工电子皮肤及其在气体监测中的应用

气体环境检测是电子皮肤的另一个应用。基于气体传感器的仪器可用于环境监测、医学诊断、工业安全监测等，极大地方便了人们的生活[99-100]。此外，Zhang等[101]证明空气污染在COVID-19的传播中起着重要作用，因此现在迫切需要能够检测空气状况的气体传感器。与电催化传感器类似，先进的气体传感器还需要具有结构简单、响应时间短、整体尺寸小和体积小的特性。

气体传感器一般是基于纳米材料，包括零维(0D)纳米颗粒、一维(1D)纳米线、二维(2D)纳米片和三维(3D)纳米结构等制备而成。这些纳米材料已代替某些半导体金属氧化物、过渡金属二卤化物和其他块状材料成为气体传感器的核心材料[16-17,57,102]。纳米结构的MoO3由于低成本、易于制备、极高的比表面积以及出色的气体感应特性等引起极大的关注[103-104]。

Gong等[58]成功地合成了α-MoO3纳米颗粒、纳米棒、纳米颗粒和纳米片作为典型特征性故障气体C2H2的传感器基础材料，用于预测变压器的物理状态。将四种合成的MoO3纳米材料作为场效应晶体管(FET)器件中的有源元件进行了气体传导实验，并通过水热反应方法对其气敏性能进行了系统比较。结果表明，基于MoO3纳米片的传感器显示出最佳的C2H2气敏性能，具有最高的灵敏度、最短的响应时间和恢复时间。FET测试表明，MoO3纳米片揭示了n型半导体的特性。因此，当MoO3纳米片暴露于水环境时，通过增加材料中的掺杂量(电子从吸附的水分子注入纳米片中)，可使得电导率显著增加。

石墨烯具有优异的力学、光学和电学性能，包括高载流子迁移率、光学透明度、柔韧性和电导率，被认为是微电子器件的最佳材料[24,106-109]。石墨烯纳米片也由于其在环境条件下出色的电子传输能力，成为在气体传感中使用广泛的纳米片[59-60,110]。Jiang等[59]报道了将Fe2O3/石墨烯纳米片用作高效的H2S气体传感器材料。Fe2O3/石墨烯纳米片可根据外部磁场垂直或水平排列，具有良好的柔韧性和对H2S气体的出色响应性能。因其快速的响应特性，较低的检测下限和快速的恢复性能以及易于制造和低成本的优势，展现出了作为H2S传感器的巨大潜力。He等[60]基于γ-Bi2MoO6/石墨烯纳米片复合材料(BMO/GNCs)制备了NO2气体传感器。该复合材料是通过真空辅助和溶剂热技术合成的。将BMO纳米颗粒修饰在石墨烯纳米片的表面和中间层上，为纳米复合材料提供了大量的活性位点和电子传输通道，使得该传感器在室温下显示出对NO2检测的高性能。Wang等[61]描述了一种利用石墨烯-PDMS微球制造柔性压阻传感器的新方法，该方法是通过模拟人类手指的指纹而设计的，使得该传感器具有与人类皮肤相似的功能，可以在微尺度上区分表面的差异。通过风载荷实验研究发现，该传感器对气体等流体具有有效的响应作用。此研究不仅将传感器技术扩展到电子皮肤，而且还扩展到其他应用，如无人水下飞行器的气流监测等。以上研究的传感器主要针对一种或两种气体的检测，而Cat等[62]则开发了一种可以用于感应多种有毒气体的氧化石墨烯纳米片，包括NO2，SO2，CO和NH3等，且具有出色的气体吸附能力。由于该传感器具有出色的灵敏度、稳定性和稳定性响应时间短以及可大量生产的特点，在未来可大规模应用于有毒物质的气体传感。

He等[63]开发了一种基于压电气体传感器矩阵的自供电电子皮肤。该电子皮肤包含四个传感单元(相对湿度：裸ZnO纳米线，乙醇：Pd/ZnO纳米线，硫化氢：CuO/ZnO纳米线和甲烷：TiO2/ZnO NWs)，可以同时检测采矿环境中的相对湿度、硫化氢、乙醇和甲烷。因为该压电气体传感器矩阵可以随着人体的运动产生压电脉冲，所以其可以在没有电池或电力供应的情况下工作，该器件还具有响应速度快、稳定性高、选择性好等特点。因此，这种自供电的电子皮肤能够实时监测矿井大气中的气体和湿度。此外，Qin等[64]设计了一种水凝胶干涉仪,其水凝胶层可响应外部刺激而改变厚度,从而产生实时的颜色变化;基于此干涉仪,他们制造了挥发性蒸汽传感器,该传感器材料单一、制造简单且稳定性高。对于饱和乙醇蒸气,该传感器的响应时间和恢复时间分别只有140 ms和210 ms。

3 结束语

与传统的可穿戴传感器相比，电子皮肤是无线的、更轻、更灵活、更具延展性，并且与人类皮肤兼容，可广泛应用于各种环境下的人体健康、人体运动和气体环境的实时监测。

用于健康监测的电子皮肤热点核心材料主要有零维到三维微纳米材料、聚合物、聚二甲基硅氧烷、石墨烯材料和水凝胶等。用于健康监测的电子皮肤可以实时监测体温、脉搏、心电图、脑电波、肾上腺素等许多物理生化参数，以及人体体液中葡萄糖、多巴胺、pH值、各种离子等众多生物标志物，从而可以对疾病进行诊断和预警，帮助个体保持健康。

用于人体运动监测的电子皮肤使用最多的材料是二维纳米片，其次是水凝胶，可以实现对吞咽、脉动等微小的人体运动监测和手指弯曲、肘部弯曲等较大的人体运动监测，未来面向人体运动监测的电子皮肤将感知到更复杂、更重要的人类活动，信号传输也将更加先进。这样就可以对人的运动进行监测并远距离传输到移动设备上，从而实现一些人工智能的指令，以模仿人类的长距离运动。

用于气体监测的电子皮肤的核心材料通常是一维到三维的纳米材料，由于气体传感器的研究近年来才刚刚起步，目前只可实现少量的气体监测，包括乙醇、NO2、NH3、H2S和甲烷等。未来面向气体监测的电子皮肤可以监测多种环境中的多种气体，通过传感器可以检测环境中的各种有毒气体或快速获取混合气体的成分。

虽然新材料的出现和不断改进的制作工艺使得电子皮肤在实现高灵敏度、性能稳定、良好的柔韧性等方面取得了突破性的进展，电子皮肤的部分性能己经接近甚至超越了人体皮肤的感知能力，但是电子皮肤传感器在实际应用中仍然面临诸多的挑战，例如，电子皮肤的柔性压力传感器的灵敏度已经达到非常高的水平，然而其他性能指标例如拉伸能力、传感能力、循环稳定性等依旧存在很大的提升空间，今后的研究应更加关注于优化电子皮肤以上性能指标，设计出兼顾多项性能指标的电子皮肤使其更适用于实际应用。电子皮肤传感器的技术发展对材料学领域同样提出了重大挑战，例如，相对于其他电极材料而言，水凝胶材料表现出更优秀的生物相容性和无污染性，但水凝胶作为导电材料时，其灵敏度仍然有极大的性能提升空间；石墨烯具有优异的力学、光学和电学性能，而且表现出了优异的化学稳定性和生物相容性，但是其本身的不可拉伸性又限制了在拉伸器件方面的应用。因此开发出新的复合方式将高分子与现有的材料有效复合在一起至关重要，这种复合体应能弥补二者的不足同时又不损失各自的优势性能。另外，高灵敏度的电子皮肤通常涉及复杂的制造工艺和技术，会使制作电子皮肤的成本比较高，从而限制了电子皮肤触觉传感器的大批量生产等。未来，研制出性能优越、成本低、容易制作并能走入人类生活方方面面的电子皮肤是今后发展的重要方向。