隨著技術(shù)的發(fā)展，電子皮膚已然成為優(yōu)異的“感知”輸入端，緣于這種感知的傳遞，電子皮膚與醫(yī)療領(lǐng)域可謂是天作之合。電子皮膚能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)呼吸、心率、體溫等常規(guī)身體信號(hào)，再通過大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集與分析，以實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體健康的早期診療。在此之外，電子皮膚還能實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液中電解質(zhì)、代謝產(chǎn)物等生理信息的全面感知，并豐富診斷信息。

近日，加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系高偉（Wei Gao）教授研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了生物燃料自供能的多模式傳感電子皮膚，通過藍(lán)牙通訊來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的無創(chuàng)健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互，該研究成果以“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”為題，發(fā)表于Science Robotics，為基于電子皮膚的新一代可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互研究提供了新的思路。

絕大部分電子皮膚的使用時(shí)間和壽命均受限于作為供能裝置的電池，因此提升電子皮膚能量利用效率并且找到替代常規(guī)電池的能源裝置就成為新一代電子皮膚的研究焦點(diǎn)。研究團(tuán)隊(duì)利用汗液中的生物質(zhì)能作為能源，將生物燃料電池作為供能裝置與生物及物理傳感器集成于超薄透明的聚酰亞胺(PI)基底上構(gòu)建新一代自供能電子皮膚。該生物燃料電池集合了零維至三維納米材料并分別修飾相應(yīng)的乳酸氧化酶與鉑鈷合金納米粒子，能從汗液中直接獲得高達(dá)3.5 mW cm-2的功率密度，并實(shí)現(xiàn)為電子皮膚持續(xù)供能60個(gè)小時(shí)。在充沛的能量供應(yīng)基礎(chǔ)上，研究者又進(jìn)一步優(yōu)化了能量利用效率，控制藍(lán)牙模塊通過休眠/激活模式的切換完成無線數(shù)據(jù)傳輸以降低電子皮膚的能量需求并延長(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間。

生物燃料驅(qū)動(dòng)的柔性電子皮膚用于多通道無線健康監(jiān)測(cè) 集成在電子皮膚上的生物電化學(xué)傳感器可以實(shí)現(xiàn)生理信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該研究利用尿素酶修飾的銨離子選擇電極首次實(shí)現(xiàn)了汗液中尿素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過修飾pH選擇電極材料和葡萄糖氧化酶，該電子皮膚亦可對(duì)汗液pH值與葡萄糖濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。人體試驗(yàn)結(jié)果顯示：汗液中銨離子，尿素與葡萄糖濃度都隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行而有一定程度的下降，而pH值則基本保持穩(wěn)定；汗液尿素和葡萄糖的含量也隨著營(yíng)養(yǎng)食物的攝取而增加。這種自供能電子皮膚有潛力在人們的日常生活中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的營(yíng)養(yǎng)代謝監(jiān)測(cè)和管理。 為進(jìn)一步拓展電子皮膚在輔助醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，該研究將生物電化學(xué)傳感器切換為應(yīng)變傳感器并置于手指與肘部，該電子皮膚以此傳感器識(shí)別肢體的姿勢(shì)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過無線數(shù)據(jù)傳輸操控機(jī)械手臂移動(dòng)抓取，或者利用肘部的傳感器識(shí)別行走過程中手臂的移動(dòng)，以此操縱機(jī)械假肢輔助行走。這種集成了生理信號(hào)和分子信息監(jiān)測(cè)的電子皮膚也可以被用來優(yōu)化設(shè)計(jì)未來的假肢機(jī)器人，使輔助醫(yī)療義肢變得更特異化、個(gè)性化。

自驅(qū)動(dòng)電子皮膚用于控制假肢輔助行走 本文的通訊作者為加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系的高偉教授，論文的第一作者為課題組的You Yu博士。其他作者為 Joanna Nassar, Changhao Xu, Jihong Min, Yiran Yang, Adam Dai, Rohan Doshi, Adrian Huang, Yu Song, 以及加州理工學(xué)院機(jī)械工程系的Rachel Gehlhar 以及Aaron D. Ames 教授。