Rogers研究可穿戴皮肤电子产品，是全世界最多产的研究者之一。这种“电子皮肤”技术已经应用到全球诊所，例如帮助监测早产儿的生命体征和运动员的水合作用。

材料科学家通常不会是抗击COVID-19的第一梯队。但John Rogers成了先行者。

他领导美国西北大学的一个团队，开发出柔软、可弯曲、类似皮肤的材料用于监测健康。这一装置放在喉咙底部凹陷处，是一种无线、蓝牙连接的聚合电路，能够实时监测谈话、呼吸、心率和其他生命体征，可用于脑卒中、需要言语治疗的患者。

这种装置是否可以用来发现SARS-CoV-2感染的症状呢？简而言之是“可以的”。目前，美国芝加哥市使用了大约400个这样的装置，帮助一线卫生工作者发现COVID-19的早期症状，并对患者进行疾病监测。Rogers团队进一步调整了设计，以评估COVID-19患者的咳嗽频率变化。

Rogers表示：“团队中负责该装置工作的成员，在这段时间里每日都待在实验室里。没有一天不是。”他的团队成员还在实验室里戴着这些装置，监测自己是否出现症状。

Rogers研究可穿戴皮肤电子产品，是全世界最多产的研究者之一。这种“电子皮肤”技术已经应用到全球诊所，例如帮助监测早产儿的生命体征和运动员的水合作用。还有一些电子皮肤赋予机器人更轻、更类似人类的触感。但无论是人类还是机器人，应用这类产品都是一个很大的化学和工程挑战。

弯曲屏幕和柔性电路

电子皮肤装置源于电子书阅读器和曲面电视中的元件，发明这些元件的科学家往往研究的是柔性碳基分子或导电聚合物。当这些元件用于可穿戴电子产品上时，必须具备柔韧性。

在这一领域取得成功最早是在2004年。日本东京大学的电气工程师Takao Someya及其团队报告说，他们已经开发出一种8 cm×8 cm的柔性机器人皮肤贴片，由高性能的压敏聚酰亚胺塑料、一种叫做并五苯的有机半导体，以及一层层金和铜电极制成。在看不到硅的情况下，贴片上摆放着32×32个微型压力传感器阵列。它允许电流不间断地流动，就像一块柔韧的电路板，使得机器人能够对压力做出反应并产生触觉。

但是，Someya意识到皮肤不仅仅必须是柔韧的，它还必须是有弹性和舒适的，并且能够对轻微的触摸做出反应。2005年，他的团队通过将相对刚性的聚酰亚胺聚合物纺成股线，然后再纺成网，解决了这个问题。在张力作用下，这些线会扭曲，使研究人员可以在鸡蛋表面拉伸网。拉伸后的网能够感觉到与橡胶块接触时施加在鸡蛋上的压力变化。在网中加入有机半导体二极管意味着它还可以测量温度。美国西北大学的Rogers及他的团队则致力于用坚硬的无机材料制造超薄结构，通常是纳米级的。2006年，研究人员发明了一种方法，可以制造出亚微米级的单晶硅，并在张力作用下将其与一层橡胶状的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）结合。当它们释放张力时，硅会变形成起伏的波浪，当材料变形时又会变平。“这是一种有机与无机结合的方法。”Rogers表示。

戴上就忘了

在Malliaras看来，可穿戴设备面临两类挑战：化学问题和工程问题。保持电极和人之间的接触并不容易，因为皮肤会随着人的移动而拉伸、起皱和弯曲。凝胶可以将电极固定在适当的位置，但时间不长，因为凝胶是水性的，随着时间的推移会变干。

离子液体是一种可能的解决方案。离子液体是由在室温下呈液态的盐制成的，它蒸发速度慢，并且善于传导电流。2014年，Malliaras和他的团队将一种名为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯的离子液体与聚合物结合。这就产生了一种凝胶，可以容纳电极和导电聚合物。他的研究小组报告说，这种装置的电气性能保持了3天。

但Someya指出，这样的装置也能阻挡汗液，阻碍空气交换，使其在配戴时产生刺激性。它们也很脆弱，这意味着它们不能长时间使用。

为了消除这些缺点，Someya团队在2017年提出了一种多孔传感器的想法，使用一种厚度仅为300～500 nm的柔性金纤维网。他们用聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）纺了一个像意大利面条一样的网，在上面放置了一个金色的电路。用水冲洗会冲走PVA，留下柔软、透气、不发炎的电线阵列，用户很难分辨出自己戴的是什么。去年，研究小组报告说，他们使用了一种这样的设计，通过人体心脏在胸部引起的振动来测量人体心脏的跳动，这种振动被称为“地震心动图”，持续时间为10小时。

Malliaras表示：“你可以整天戴着一个装置，却忘了它就在那里。”健康监测的好处显而易见。“这项努力最大的好处是将你的健康作为基线，然后你就能注意到基线是否开始漂移，所以很可能在早期就发现是否患病。”

灵敏度

斯坦福大学的聚合物化学家鲍哲南（BAO Zhe-nan）教授也在开发电子皮肤。但她并没有制造传感器，而是采用分子方法：设计有机聚合物和电子元件从一开始就考虑到柔韧性。

鲍哲南解释说：“我们从分子水平设计它们，类似皮肤的特性成为新材料的固有特性。”

应用范围很广。鲍哲南已经开发出一种原型装置，可以感知汗液中的激素变化，特别是皮质醇水平——一种重要的压力指标，可以用来帮助理解焦虑和抑郁。但是，这项技术也可以用来制造放置在体内的有机电子产品，帮助修复受损的神经，并且随着身体的变化而变形。

鲍哲南指出:“在过去的5年或10年里，我们从最初的没有材料可用，到现在我们建造了传统无机电子学所能建造的每一个组件，而且都采用了类似皮肤的材料。”

她用一系列具有不同导电性能和生物降解性的聚合物来制造材料。2010年，她的团队开发了一种由弹性聚合物PDMS制成的皮肤，这种皮肤可以检测压力的微小变化，以模仿触觉。

变形时，材料的电容会发生变化，粘贴到有机晶体管上时，可以读出电流的变化——这在电子上相当于感应触摸或压力。研究小组继续将其技术制作成一种手套。

从那时起，鲍哲南进一步发展了一个概念：使传感器可以在体内工作。在一份2019年的报告中，她和她的团队描述了一种无线、可生物降解的传感器，可以包裹在血管周围，并在手术后持续监测血流。为了读出信号——当血液通过动脉时被检测为电容的变化——研究小组在皮肤附近增加了一个外部线圈，将无线电信号传送到远程接收器。

鲍哲南指出，她的目标是让这些传感器覆盖更多的身体部位，同时保持细胞分辨率。“我们说的是几十微米的分辨率，但想象一下整个身体。”鲍哲南表示，“对于高密度电子产品来说，这是非常困难的，对于传统的硅电子产品来说，这将是非常昂贵的。”但是对于电子皮肤应用，硅和有机材料都有它们的用途。有机电子学适用于需要中等电子性能的大面积、低成本、一次性应用，而硅则适用于高性能、小面积应用。“有机物和无机物不是相互竞争，而是互补的。”Someya表示。最后，他指出最成功的设计很可能体现出一种结合的方法，将两种材料的优点结合起来。

感受疼痛

在澳大利亚，墨尔本皇家理工大学（RMIT University）的Madhu Bhaskaran喜欢无机方法。

作为功能材料和微系统研究小组的共同领导者，Bhaskaran和她的团队使用金属，如锶、钒或钛的氧化物，来开发能够感知疼痛的人造皮肤。例如，这种材料可以被涂到假肢上。她说，金属氧化物已经广泛应用于电子领域，但它们在受热时也很脆弱。

2013年，Bhaskaran的团队将氧化物涂层与弹性橡胶（如硅胶或PDMS）混合，制造出一种可拉伸的电子材料。这个过程并不简单。首先，研究人员在铂层和硅层的顶部制备了一层薄薄的金属氧化物，并在高温下进行“退火”，使电路既透明又导电。然后，他们将图案嵌入柔软的PDMS中，并将其从铂基上剥离，留下一层透明的金属氧化膜。由此产生的材料可以拉伸高达15%，但仍然保持其电性能。这要归功于金属氧化膜中微小的、类似构造板块的结构，这些结构会裂开，形成相互滑动的小板块，即使材料变形，电流也能流动。

去年，Bhaskaran和她的同事制作了一种材料，可以模拟皮肤对过热、压力和疼痛的反应，以及大脑对它的反应。他们将一个带有氧化钒温度传感器的柔性金-PDMS压力传感器和一个基于氧化锶的组件结合起来，这个组件可以“记住”流过它的电荷量，称为记忆电阻器。随着刺激强度的增加，这些“体感”电路发出越来越大的信号。“疼痛不是一种刺激，疼痛是当刺激超过阈值时，我们的身体所感受到的。”Bhaskaran表示，“这是大脑对身体危险的警告机制。”Bhaskaran的团队迄今为止只在实验室测试了这种材料。

技术转化

如果这听起来像科幻小说，其实不然：一些电子皮肤产品已经在使用了。

例如，一种名为BioStamp的感应贴片可以在家里通过整理参试者的大量生命体征数据来辅助临床试验。这款贴片由Rogers于2008年创立于马萨诸塞州的MC10公司开发，并于2018年5月获得美国食品药品管理局（FDA）批准。

2019年，Rogers和同事推出了一种贴膏大小的无线传感器，可用于监测重症监护室的早产儿。它不再需要纠缠在一起的监控线，并且让父母在住院期间更容易抱着孩子。

Rogers解释，赞比亚、加纳和肯尼亚的医院、芝加哥的卢里儿童医院和普伦蒂斯女子医院都在使用大约1 000台这样的设备。Rogers指出，同样的医院也在使用改良版的监护仪来评估产妇和胎儿的健康状况。

Someya的集团于2015年在东京成立了一家名为Xenoma的子公司，该公司在智能服装中使用类似皮肤的传感器。其中包括睡衣，它可以监测体温，并与空调连接以调节室温，或者在穿着者摔倒时提醒急救人员或家人。

Malliaras还没有将他的离子液体技术商业化，但他正计划在英国大流行限制解除后，在志愿者身上测试，并允许他的团队返回剑桥的阿登布鲁克医院（Addenbrooke's Hospital）。

挑战

可穿戴电子设备远远领先于我们许多人用来计算每日走了多少步的腕式设备。对于真正基于皮肤的装置，需要与皮肤长时间的密切接触，而这种接触方式是那些坚硬、易碎的商业设备无法做到的。

这给材料科学家带来了一系列有趣的挑战。“如何让所有这些材料协同集成、协同工作？”Rogers问道。他补充解释说，其他问题还包括如何管理硬材料和软材料之间的界面和机械不匹配。

但Someya、Rogers、鲍哲南和其他人克服这一问题的努力证明是卓有成效的。除了Rogers在COVID-19和新生儿护理方面的工作外，他的实验室平台也在各种临床环境中使用。例如，这些设备用于监测囊性纤维化患者的汗液生物标志物，检查某些皮肤疾病患者的皮肤水合作用，以及评估黑色素瘤患者的紫外线照射。他的实验室还开发了可穿戴传感器，可以跟踪皮肤和假体之间的压力与温度。

鲍哲南认为，Rogers之所以高产是因为使用了这种混合方法。相比之下，她和她的团队不得不开发新的方法。“这是一个长期的发展。但我们看到，这将真正改变我们的电子产品将是什么样的”。

无论研究人员尝试哪种方法，Rogers都将最近对可穿戴电子产品研究兴趣的激增视为一个过渡点，可以推动进一步的探索。“一旦你开始建立一些真正影响和改善患者生活的产品。”他表示，“这就产生了一个强大的动力，让更多的资源流入正在进行的基础研究。”

参考文献：Katharine Sanderson. Electronic skin: from flexibility to a sense of touch[J]. Nature,2021,591:685-687.