the second skin[转载]

Second Skin Enabled by Advanced Electronics
Jin Young Oh* and Zhenan Bao*
Adv. Sci. 2019, 6, 1900186

Introduction

the second skin 的总体结构如图1所示，它由各种功能器件组成，包括:多功能传感器获取来自人体的各种生物信号，集成电路以电方式处理信号，显示将分析数据和反馈信息传递给用户，以及电源。

由传感器、集成电路、显示器、电源等功能器件组成的第二层皮肤结构示意图。the second skin 所需的电子材料的新能力包括可拉伸性、自愈性、生物相容性和生物降解性。

在人体或人体内部进行手术时，the second skin 的电子材料需要具备四种新功能:
(i)可延展性，使该装置能够适应由于人体运动产生的动态变形而产生的应变，而不会发生分层或机械故障;
(ii)在发生机械故障时防止延长其寿命的自愈合能力;
(iii)长期稳定的生物相容性;这样植入的设备无需手术就能分解，并减少电子垃圾。最近的进展已经赋予了电子材料和器件一些这些期望的特性，下面将详细说明。

Advanced Materials for Second Skin

Stretchability

电子材料的可拉伸性是电子元件与皮肤共形集成的关键，它可以提高整体稳健性，避免人体在各种动作中发生机械故障。

有三种方法：
应变工程，混合复合材料的使用，和动态分子间相互作用。

Strain-engineering

传统的电子材料通常是刚性和脆性的，应变工程通常被用来赋予其外在的可拉伸性

各种几何结构被设计来释放施加的应变。这种方法的主要优点是，它能够使用成熟的传统经典电子材料，如硅、金属和氧化物，可以利用现有的材料和器件制造知识

屈曲和起皱是先释放预应变的预应力弹性体形成波状结构的简单而有效的方法。

例如，在预紧弹性体上形成的波状单晶薄硅带可以被可逆拉伸和释放，而不会受到机械损伤

用波纹硅带制成的可伸缩晶体管和p-n二极管已经在弹性体上得到了证实。这种方法甚至被应用于制作破碎的有机电路和有机/无机太阳能电池

受分形设计启发，蛇形结构是一种应用广泛的应变工程互连结构。

例如，蛇纹金互连线(图2a)显示了人体皮肤上的保形接触蛇形结构的设计允许双轴应变。在弹性体上连接刚性岛状电子元件也很有用，从而使用经典电子元件实现高性能可伸缩电子元件

蛇纹石金分形设计在人体皮肤复制品的应变工程。

Self-Healing

Biocompatibility

Biodegradability

Advanced Devices for Second Skin

Second Skin将由功能性电子设备组成，通过皮肤或人体内部与人体进行交互。

功能器件可分为传感器、集成电路、显示器和系统级应用的电源。

Sensor

我们的皮肤由表皮、真皮层和下皮层组成，并嵌有汗腺、神经末梢、血管和肌肉。外表皮层是健康监测和诊断的理想表面。

因此，人们正在积极开发用于生物医学应用的皮肤传感器。最近报道了一种用于测量生物电位、温度甚至血压的系统级别表皮传感器(图3a)

一种表皮贴片经过应变工程改造成蛇形结构，观察到它具有可伸缩性并能粘附在皮肤上。本报告展示了皮肤测量各种生物信号的潜力，因此可以作为一种不同寻常的电子控制器来获取肌电信息。

表皮贴片作为一种多功能给药系统，在运动障碍的诊断和治疗中是有用的。皮肤贴装传感器的超轻设计可以让用户察觉不到

利用塑料电子技术开发出了用于电子皮肤、义肢和机器人的极其细微触觉传感器(图3b)

要改善所获得信号的质量，就要尽量减少电串扰。因此，触觉传感器被设计成与有机晶体管上的有源矩阵阵列互连。触觉传感器是在超薄膜(1µm)上制作的，重量轻(3 g m−2)，超柔，所以它可以附着在皮肤或任何动态表面。该系统随后与碳纳米管和石墨烯的复合纳米纤维一起用于医疗应用的透明弯曲不敏感压力传感器

人体分泌的汗液可以传递有用的生物信息。因此，基于汗液的诊断可以成为一种有效的无创监测方法，为了解人类的健康状况提供依据尽管有这些优势，但汗液诊断技术一直局限于实验室或医院，一种可安装在皮肤上的汗液传感器被证明可以扩展汗液诊断的可用性和便利性(图3c)

汗水传感器由可伸缩微流控系统和比色传感器组成，用于捕获、存储和分析汗水。该传感器可以定量测量排汗率、总排汗量、pH值、氯离子和乳酸盐浓度，并使用近场通信技术无线发送信息。

另一种由柔性集成传感阵列组成的可贴在皮肤上的传感器也被开发用于原位汗液分析，该传感器完全集成的系统可以同时选择性地测量汗液代谢物和电型，甚至体温，同时将收集到的信息直接无线发送给用户。从大脑、心脏和血管等内部器官获取高质量生物信号的可植入传感器将比皮肤传感器更有益。

一种用于皮质电图测量的柔性多路电极阵列(图3d)

使用高密度多路传感器阵列来监测大范围的体内微尺度脑活动和疾病的诊断电子血管支架也被证明是用于体内健康监测和血管内疾病治疗的智能植入物。具体来说，一种集成了传感器、内存、无线通信模块和药物输送系统的生物可吸收电子支架已经被证明具有传感流量、监测温度、存储数据以及传输无线电源或数据的多功能功能。此外，在血管内系统中使用生物惰性治疗纳米颗粒也显示了有效的热疗治疗。

Integrated Circuits

本质上可伸缩的电子电路非常适合用于皮肤安装的设备。

通过开发可扩展的本征可拉伸晶体管，最近实现了一种本征可拉伸有源矩阵阵列

这对于功能电子集成电路的高密度器件阵列非常重要。制作过程包括冲洗光图版的过程介质、半导体。实现了高密度晶体管(347晶体管cm−2)阵列。可伸缩晶体管阵列被制作成模拟电路和数字电路，以及触觉传感器阵列的有源矩阵。3D集成可拉伸电子设备是实现高密度设备的新方向，这将需要单层格式的显著更大的区域。

通过对预先设计好的可伸缩电路进行转移打印，实现了三维集成可伸缩电路系统的框架3D集成可伸缩电子系统(图3f)由四个电子电路组成。每一层都有各自的功能，并且每一层都使用垂直互连访问流程进行连接。然后，3D集成可伸缩系统被用于可伸缩、紧凑的多通道传感器，以控制人机界面的无线机器人手臂。

Displays

显示使处理后的信息能够直接可视化给用户。几种类型的发光器件已被演示用于皮肤贴装显示器有机发光二极管(OLEDs)已经发展成为高分辨率柔性显示器的平台通过在超柔性聚合物衬底(2µm)上制作器件，最近实现了超柔性OLED显示器(图3g)。

其超柔韧性使得该设备能够在最小的机械约束下轻松粘附在皮肤上。此外，量子点发光二极管(qled)由于颜色纯度高、电致发光亮度低、工作电压低、在空气和照明下的稳定性，也成为可穿戴显示器的强有力的候选人与智能手表集成的超薄(5 μ m) QLED可贴在皮肤上显示(图3h)

可以可视化各种重要信息，如体温和运动变化。

最近，一种由纳米网格导体和微LED阵列制成的弹性显示器显示了相关采集到的生物信号(图3i)

可伸缩发光电容器(LECs)也有望用于皮肤贴装显示器LEC结构简单，操作机构简单，易于制造。一种LEC包括由弹性体和发光荧光粉组成的复合发光层。弹性发射层在应变作用下具有很高的可拉伸性和变形性，可以显示各种刺激的感官反馈(图3j)

利用自愈合弹性体实现可伸缩的自愈合LEC，该LEC与电子皮肤集成，然后可用于生成收集的生物信号的可视化，用于健康监测

Power Supply

为了使皮肤贴装设备能够可靠、连续地工作，开发一个强有力、稳定的电源系统是必不可少的。

可充电电池是最明显的选择，因为它们最初是作为便携式电子设备的电源而商业化的通过在弹性体上制造可伸缩电池，并通过蛇形互连器连接(图3k)

这些连接的电池可以拉伸到300%，并集成到无线充电系统中。

然而，充电电池有一个缺点，因为它有时可能过热，导致小爆炸。当安装在皮肤贴装装置中时，电池与人体有密切的接触，因此在考虑作为电源之前，必须防止任何潜在的爆炸危险此外，它们的长充电时间必须最小化，以减少停机时间和不便。

太阳能电池是一种很有前途的无线电源，可为皮肤贴装设备提供可再生能源在预拉伸弹性体上演示了一种可拉伸的砷化镓太阳能电池。

这一成就说明了发展自供电电子学的可能性最近，使用纳米光栅图形有机太阳能电池(图3l)演示了自供电超柔性电子器件所制备的超薄有机太阳能电池重量轻，具有超柔韧性，可与人体皮肤或其他组织相适应。

结合有机太阳能电池和有机电化学晶体管的自供电超柔性电子系统被证明可以可靠地测量身体内外的心脏和大脑信号其次，来自人体皮肤的热能也可以被用作皮肤贴装装置的电源直接将热流转换为电能的热电发电机，作为一种利用身体产生的热量的自供电电源是有吸引力的。

一种基于玻璃纤维的柔性热电发电机最近被制成用于可穿戴式自供电电子设备通过在玻璃织物上丝网印刷Bi2Te3 (n型)和Sb2Te3 (p型)浆料，得到的可穿戴设备具有柔性和高输出功率密度。

接下来，基于过渡金属二盐基(TMD)纳米片(WS2: p型和NbSe2: n型)的可伸缩热电发电机也被演示(图3m)

多层TMD纳米薄膜即使在拉伸、部分撕裂和折叠时仍能保持其电渗流通道。应变释放后，通过撕裂区域之间的插入接触，薄膜形态的变化可以迅速恢复。研究人员继续展示了基于上述TMD纳米片薄膜的自供电腕带原型。

无线电源传输是一种不使用电源模块而向电子设备提供能量或电源的有效方法。

在光发生装置(图3n)中，通过感应耦合来控制小鼠光敏蛋白的神经元活动，无线传输能量这种方法能够解决当通过长光纤传输连接到光源遇到的重大限制，

Conclusion and Perspectives

在这篇综述中，我们重点介绍了最近开发的先进电子材料作为下一代可穿戴电子产品的the second skin 。

这些材料包括有机/无机材料、聚合物和混合复合材料，具有新颖的可拉伸性、自愈性、生物相容性和生物降解性。

这些发展使得随后的功能性电子器件的制造与人体结合在一起。这种先进的电子技术制造出的“the second skin ”，可以将电子技术的应用扩大到医疗保健、体育、军事等领域。

the second skin 可以使人类成为物联网的一部分，物联网是第四次工业革命的基本组成部分。在the second skin 可以商业化之前，需要克服几个障碍，包括:

(i)材料的化学稳定性应得到改善，
(ii)器件的电子特性必须得到改善，
(iii)电子学必须标准化，
(iv)开发集成所有部件技术的方法。

我们相信，当这些问题得到解决时，the second skin 将因此成为下一代电子产品的关键角色。