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來源：互聯網

電子皮膚（Electronic skin）是一種模仿人類皮膚的特性以及附加功能的設備，本質上是一種仿生柔性觸覺傳感器系統。其技術關鍵點在于一種被稱為QCT的量子隧道復合材料，結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息，可以模擬甚至取代人體皮膚。

“割肉補瘡”在古代的歐洲和亞洲有近2500年的歷史，在19世紀末，現代植皮手術出現。皮膚組織的損壞是不可修復性的，植皮是皮膚損壞患者唯一選擇。數據顯示，全世界每年接受皮膚移植的患者人數近20萬，存在不可恢復性皮膚創傷且尚未接受植皮手術的患者總數超過400萬。植皮手術存在較多弊端，在各國科學家的努力下，超仿真電子皮膚模型逐漸走向成熟。隨著柔性電子學的發展，新型可貼附、可穿、便攜式、可折疊等柔性電子學器件的研究備受國內外關注，并逐漸成為當前重要的前沿技術。

電子皮膚一般是由電極、介電材料、活性功能層、柔性基材組成，根據傳感方式可以分為四類，即應變傳感、濕度傳感、溫度傳感和代謝物傳感。當外界施加壓力時，活性功能層將應變、濕度、溫度等信號轉換為可檢測的電信號，位于功能層兩側的電極層接受并對電信號進行傳輸，最終信號傳輸到人體神經細胞，完成一次“觸覺”傳遞過程。電子皮膚主要應用在健康監測、觸覺、人機交互、生物醫療、心率脈搏檢測等方面。

歷史沿革

產生背景

“割肉補瘡”在古代的歐洲和亞洲有近2500年的歷史，因為當時的醫療水平和麻醉水平比較落后，讓其更像一種刑罰。在19世紀末，現代植皮手術最早出現。在現代，全世界每年有近20萬的患者接受皮膚移植，有超過400萬的患者在有不可恢復性皮膚創傷的情況下并未接受植皮手術。

由于人類的身體存在排斥性反應，且皮膚組織的損壞是不可修復性的，所以植皮幾乎是皮膚損壞患者唯一選擇。在皮膚移植手術，醫生通過切取患者自身或他人皮膚進行移植修復，但對于患者來說，是十分忍受疼痛的，并且還會在患者取皮部位留下新創傷，對他們的身體和心靈造成創痕。在手術之后還會留下后遺癥，如觸覺減弱、免疫力下降等。因此，在各國科學家的努力下，超仿真電子皮膚模型逐漸走向成熟。

發展階段

電子皮膚技術發展大致可分為三個階段。

萌芽期(1980~1989年)

電子皮膚技術剛出現雛形，實用性較差，應用大都局限于機器人觸覺傳感器領域，少數用于生理參數檢測；

瓶頸期(1990~2001年)

對電子皮膚技術進行了初步探索，并拓寬了應用領域，電子皮膚實現生理參數檢測逐漸普及，受材料與技術制約，發展緩慢且無法突破技術瓶頸；

發展期(2002年以后)

隨著新材料的不斷涌現，電子皮膚重新成為中國外研發熱點。早在2003年，日本東京大學的研究團隊利用低分子有機化合物——并五苯分子制成薄膜，通過其表面密布的壓力傳感器，實現了電子皮膚感知壓力。例如，由中國研究人員使用碳納米管傳感器制成的高靈敏度皮膚，甚至可感知到20毫克螞蟻的重量。在生理參數檢測領域，由傳統的簡單貼附發展到將敏感材料填充到基底構成更加輕薄微型的傳感器，并通過采用具有彈性的基底材料來進一步改善穿戴的舒適度和方便性。

2006年，高分辨率光學觸覺傳感器擬人控制手出現，2008年，出現了微結構壓力傳感器。2010年，超柔性有機電路、可生物降解的有機場效應晶體管、可伸縮電池等相繼出現，次年，可伸展的有機發光二極管研發成功。2012年，超薄可伸縮有機光伏太陽能電池、自愈性電子皮膚互鎖電子皮膚生物、可吸收硅電路等相繼研發成功。

2013年，科學家們研發出了可充電可伸縮電池、可伸縮彎曲晶體管，并出現了可伸展透明的電子皮膚。2015年，出現了可植人和可生物降解的電子皮膚。2017年，心電傳感和溫度傳感的粘性傳感器研發成功，次年，科學家們研發出了高度可擴展和可整合的矩陣網絡、高性能的柔性可伸縮織物生物傳感器。2020年，拉伸熱致變色應變傳感器研發成功，并出現了全納米纖維摩擦電納米發電的電子皮膚、由汗液驅動的集成電子皮膚等電子皮膚。

2025年4月8日，全球首款可拉伸電子皮膚觸覺傳感器產品正式亮相，該產品采用超仿真設計，能拉伸、揉搓，可感知1克物體所產生的力。該電子皮膚觸覺傳感器可讓機器人具備感知和理解世界的能力，其每一平方厘米的材料部署了400個傳感器，同時產品可貼合不規則的物體表面。另外，傳感器還具備高耐用性，即便出現破損，也不影響其他區域的感知。

發展現狀

近年來，隨著柔性電子學的發展，新型可貼附、可穿、便攜式、可折疊等柔性電子學器件的研究備受國內外關注，并逐漸成為當前重要的前沿技術。中、美、日三國屬于技術原創大國，韓國和歐洲地區緊隨其后，在電子皮膚領域也有所建樹。

國內現狀

2018年，中國科學院等在多功能電子皮膚研究方面取得進展，開發了一種可直接貼附在人體皮膚的超薄高像素柔性電子皮膚陣列，設計了微米級的超薄可拉伸襯底及蛇形電擊結構，實現了對人體生物信號的實時快速檢測和壓力分布成像。

2019年7月9日，清華大學中國科學院微電子研究所任天令教授團隊在納米領域重要期刊《美國化學學會納米》(ACSNano)上發表了題為《一種可穿戴的類膚性高靈敏度石墨烯人工喉》的研究論文。該器件集收聲和發聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉化為對應聲音，有望幫助失語者正常與他人“交談”。在未來，該器件將與聲紋識別、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。第二代石墨烯智能人工喉(WAGT)可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。與2017年該團隊首次提出的石墨烯人工喉相比，第二代WAGT在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面有了重大突破。

2024年，南方科技大學劉瑋書課題組開發出了一種具有生物仿生結構的恒溫電子皮膚，通過柔性熱電裝置與吸濕性水凝膠復合材料的結合實現了產熱與散熱之間的有效平衡。相關研究成果發表在《納米能源》上。這種恒溫電子皮膚能夠在不同的環境溫度下將表面溫度維持在舒適的范圍，并且具備循環使用的能力，它還能進行力信號外物識別傳感和進行健康與運動監測。

2025年，中國電子皮膚應用從最初的小眾產品快速發展為機器人的剛需，生產研發提速，在廣東省和浙江省等地，相關企業產能有望進一步突破。嘉興市一企業2025年訂單量大漲，車間24小時輪班生產；東莞松山湖企業因產品價格下降，出貨量上漲10倍，且造價從早期單傳感器千元級或萬元級降至整只手千元級甚至以下。同時，中國人形機器人的快速發展帶動了電子皮膚研發設計方案加速更新，達一周一迭代的速度。

國外現狀

美國國防部非常重視柔性電子技術在軍事領域中的應用，美國陸軍、海軍也在積極推動電子皮膚在國防領域的應用研發。美軍與亞利桑那州立大學合作建立的柔性顯示中心(FDC)，專注于柔性電子皮膚顯示屏的研發。2012年，FDC開發出了世界上最大的柔性電子皮膚彩色顯示屏，一個對角線為7.4英寸長的0LED原型，滿足美國國防部對全彩、全運動視頻的柔性顯示組件的需求；2015年，美國國防部與蘋果公司、波音公司和哈佛大學等機構，共同開發柔性軍用可穿戴裝置。近年來，現代戰爭偵察打擊手段不斷升級，軍事裝備的戰場生存和作戰效能面臨的威脅日趨加大，“偽裝皮膚”成為保護已方戰斗力的有效措施。

2017年，美國康奈爾大學和意大利技術研究所在陸軍和空軍資助下研發出一種新型皮膚，該皮膚由薄橡膠片制成，經制備后能夠發冷光，橡膠片中有單獨控制像素的陣列，能夠使皮膚像章魚皮膚一樣發生變色，美國國防高級研究計劃局的“阿特拉斯"人形機器人成為首個安裝該電子皮膚的機器人，該皮膚賦予了軍用機器人變色能力以融入周圍環境。目前，美國陸軍計劃為士兵配備裝配有頭戴式柔性屏幕的單兵作戰系統；美國空軍計劃使用導致皮膚柔性屏幕顯示器為飛行員打造實時顯示器。

2017年，康奈爾大學研究人員新開發了一種偽裝皮膚，機器人可以快速從硅膠片變成3D物體，通過改變外觀更好地融入到周圍環境之中。具體技術為：將2D平面物體轉化為3D形狀。先將硅膠倒入模具中來做出皮膚的效果，用頂部的纖維網來模擬肌肉，通過激光切割出不同的形狀，然后再倒上硅膠。待整個模型干燥后，就可以做出硅膠制成的網狀物，如圖4所示無論網狀物如何被切割，硅膠都可以在充氣時膨脹為3D形狀。

2018年，加利福尼亞州大學開發出“動態偽裝皮膚”，有望用于軍事偽裝及一系列需要動態調控紅外輻射的應用。該技術研發思路是根據十腕總目、章魚等頭足綱動物能通過皮膚特定細胞在可見光波段調控反射率，實時改變身體顏色和圖案實現融入環境的動態偽裝特點，該偽裝皮膚可以逃過紅外相機監測。美國斯坦福大學的鮑哲南團隊繼2015年在人造皮膚的“觸覺”感知上取得突破后，2018年又實現重要突破，首次成功開發出可以量產的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列。

2019年，美國科羅拉多大學博爾德分校開發出一種新型可塑性，自我修復和完全可回收的“電子皮膚”(CUBouldere-skin，見圖3)，其應用范圍從機器人和假肢開發到更好的生物醫學設備新的CUBouldere-skin采用嵌入式傳感器，可用于測量壓力、溫度、度和氣流。它具有特殊的性質，通過利用新型共價鍵合動態網絡聚合物(稱為聚亞胺)與銀納米粒子結合，可提供更好的機械強度、化學穩定性和導電性。聚亞胺的化學鍵合能夠使e-skin在室溫下自我修復和完全可回收。同時，新型CUBouldere-skin可以很容易地適應彎曲的表面；為了使皮膚再循環，將該裝置浸泡到再循環溶液中，使聚合物降解成低聚物(聚合度通常低于10的聚合物)和可溶于乙醇的單體(可以連接在一起成為聚合物的小分子)，銀納米顆粒沉到溶液的底部。再循環的溶液和納米粒子可用于制造新的功能性電子皮膚。鑒于全球每年產生數百萬噸電子廢物，該電子皮膚的可回收性具有良好的經濟和環境意義。

工作原理與分類

構造與原理

基本構造

電子皮膚一般是由電極、介電材料、活性功能層、柔性基材組成。

工作原理

當外界施加壓力時，活性功能層將應變、濕度、溫度等信號轉換為可檢測的電信號，位于功能層兩側的電極層接受并對電信號進行傳輸，最終信號傳輸到人體神經細胞，完成一次“觸覺”傳遞過程。此外，柔性基材的選擇對電子皮膚有極大的影響，柔性基材可以起到承載電子皮膚并確保其與生物皮膚或其他材料相容的作用。

分類

電子皮膚是一種由傳感像素組成的柔性電路矩陣，用于監測各種外部刺激，在高級人工智能領域和醫學領域有巨大的應用潛力，如用于機器人和人機交互的智能皮膚，用于檢測身體健康狀況的可穿戴智能傳感設備。電子皮膚根據傳感方式可以分為四類，即應變傳感、濕度傳感、溫度傳感和代謝物傳感。

關鍵技術

應變傳感

應變傳感是一種基于感受并測量物體受力變形所產生的應變的傳感方式，是一種在各個領域都非常常見的傳感方式。在某方面來說，應變傳感也可以叫壓力傳感，兩者并沒有太大的區別，壓力傳感是能感受壓力信號(如力的大小和受力時間的長短)，并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出電信號的一種傳感方式。

應變/壓力傳感器是通過一些轉換原理(如電容、壓阻、壓電和摩擦電)來檢測力的變化，在這些傳感器中，最常用的是壓阻傳感器，因為它具有設計簡單、能夠檢測靜態和動態信號等特點。

濕度傳感

濕度傳感器常用的工作方式為電阻抗式，通常在柔性基底上制備金屬探測電極，水分含量的大小會影響檢測電極之間的阻抗，通過檢測阻抗大小即可獲得所需的信息。在某些情況下，濕度傳感器具有不與待測物體直接接觸的特點，這使其成為實現遠距離非接觸式信號感應的重要手段。一般來說，濕度響應性通常取決于材料暴露于濕氣分子的總面積，近年來開發了許多具有大比表面積的濕敏材料。然而，要實現傳感器的快速響應和快速恢復，仍然需要新的濕度傳感材料。

溫度傳感

溫度傳感是指能感受溫度并轉換成電信號輸出所需的傳感方式。溫度是人體和外界環境交互的重要信息，精確的皮膚溫度可以提供有關認知狀態、心血管健康、惡性腫瘤和許多其他重要的生理方面的信息，因此能夠感受溫度也是電子皮膚需要的基礎功能之一。熱阻式的柔性溫度傳感器一直受到研究者的青睞，該傳感器是利用熱敏材料的熱敏特性，將溫度轉化為所需要的電信號。

代謝物傳感

代謝物傳感是一種生物傳感，主要根據人體代謝物中各種生物小分子的濃度變化和大小來反映一些問題。隨著智能電子、生物領域的應用和不斷發展，代謝物傳感器吸引了人們的關注。葡萄糖是人體重要的代謝小分子，通過檢測、控制葡萄糖的含量可以檢測和預防糖尿病。

功能特性

主要功能

電子皮膚電子器件像人的皮膚一樣柔軟，同時擁有和皮膚一般的觸覺感知能力。甚而，它還具備強于皮膚的方面，比如，幫助人類獲取環境和人體中的物理化學信號，提升人類與環境或自身的交互能力。通過壓力傳感器，電子皮膚也可以感知物體軟硬程度，借助柔性壓力傳感器，還可以實現對物體形狀的感知。電子皮膚可被用來感知陽光中紫外線強度、濕度、磁場、物體的接近等；針對人體自身而言，電子皮膚可無創地監測體液中血糖等生理指標信息，采集腦電、肌電和心電信息等。

主要特性

可拉伸性

電子皮膚的使用環境常常是在復雜的、不平整的表面，要使電子皮膚在這樣的環境下發揮良好的作用，需要其具有良好的柔軟可彎曲性以及良好的拉伸性能。目前實現可拉伸性的方法主要有使用導電水凝膠等新型導電可拉伸性材料、將傳統導電材料通過網格或裂紋結構使之可彎曲拉伸、其他特殊制備方法。

自愈性

人體皮膚被割傷后，在一段時間內會自然結疤恢復。對電子皮膚而言，要求傳感材料被劃傷或被割裂以后，在一定條件下可以恢復原有的形狀并且仍然具備優異的傳感功能。為了保持電子皮膚的自愈性，可以通過混合治愈劑或混合動態可逆鍵制備自愈材料。例如，通過金屬超分子聚合物和熱塑性彈性體等材料制備自愈合材料。

自供電性

因為電子皮膚是通過電信號來傳遞信息的，所以電源必不可少。通常使用的電池是笨重、堅硬的，很難與輕薄、柔軟的電子皮膚相結合。而通過環境或人體獲取能量的自供電系統驅動電子皮膚的使用既環保又便捷。自供電的方式也有多種，如機械能供電、生物燃料電池供電、納米壓電等。

集成性

電子皮膚系統的高度集成化是亟待研究的課題之一。Someya等成功地構建了基于有機晶體管的壓力和熱活動矩陣，其可以同時讀出壓力和溫度的分布。Kim等制作了一種智能假肢，它可以同時感知溫度、濕度和多種形式的張力。Ji等開發了一種可以同時檢測葡萄糖和DL-乳酸水平的傳感器，將葡萄糖和乳酸傳感器組合在一起，制成一個帶雙通道的微流控芯片。Silva等制造的傳感器件能夠承受高機械變形，同時表現出極具吸引力和穩定性的電化學性能。Ding等編織的多功能紡織品集成了包括熱能收集、局部觸摸顯示屏和光定向通信感應等功能。

生物兼容性

電子皮膚真正移植于機體前，還要考慮皮膚內部的生理功能與結構問題；將電子皮膚用于醫學領域及健康檢測時，需要將其貼合在人體表面或植入人體來進行監測，這不僅要求電子皮膚無毒無害，還要使人體不對其產生免疫排斥，電子皮膚也需具有良好的生物相容性。謝敏隨采用共價鍵合法制備了功能性復合納米粒子，構建了非標記電流型免疫傳感器，這種傳感器為免疫分子提供了良好的生物相容的環境，具有良好的生物相容性。季文學合成了CdTe/CdS/ZnS納米晶，利用有機脂質體膜合成了具有生物相容性的有機脂質體復合熒光納米粒子。

應用領域

電子皮膚在健康監測、觸覺、人機交互、生物醫療、心率脈搏檢測等方面已有顯著作用，并帶來了更多的可能性。由于材料、基底、結構和器件等選擇不同，所設計出的電子皮膚的類型和特性會有所不同，應用到各領域或部位所發揮的作用也會不同。

健康監測

現代醫療檢測儀器不僅價格昂貴，而且檢測過程復雜，許多儀器檢測后不能立即得到診斷結果。但是通過電子皮膚，患者不僅可以實現無創檢測，而且可以實時得到檢測結果。韓國學者Jang等制作了一種新型電子皮膚微系統，它可以檢測人體的各種健康數據并將數據通過無線技術傳送到手機等智能設備上，使人們更加方便快捷地查看自己的身體健康數據。Han等設計了一種能夠持續檢測人體健康信號的輕薄且柔軟的電子傳感器，它可以通過檢測溫度和壓力來對人體進行實時監測，而且該產品還配備無電池功能，可以持續供電。劉雨晴制作的多孔紙基電子皮膚可以對多種物理和化學信號做出響應，在人體健康狀況追蹤等方面有著巨大的應用前景。陳樂等研發的基于三明治結構的新型電子皮膚具有靈敏度高、量程寬、響應快等特性，將其應用于人體健康信號方面，更有利于醫生對人體異常變化的觀察，以便及時診斷疾病。電子皮膚作為模仿人類皮膚感知功能的新型傳感器，未來可應用于醫療機器人指尖進行早期診療，還可制成創口貼形式貼在皮膚表面實時監測血氧、心率等健康數據。Liu等制作的可穿戴電子應變傳感器通過對人體電壓信號變化的監測，可以推測出被檢測者的坐姿。此外，將這種傳感器放置在人體的膝蓋上，可以實時地分析人體膝蓋的運動狀態，如散步、跑步、起跳等。

觸覺感知

在制備過程中將性能較高的電子皮膚貼合在機器人或假肢的表面，通過溫度傳感器或濕度傳感器感受周圍環境變化，能夠使機器人或者假肢擁有與人類相似的觸覺。Lee等開發了一種人工神經系統，通過采用異步編碼電子皮膚(ACES)，該系統能使機器人和假肢設備的觸覺更優于人類的觸覺，而且ACES與透明、自愈且防水的傳感器皮膚層配對，能夠制作出一種可以自動修復的電子皮膚。Nabar等制作的電子皮膚對其接觸表面的壓力變化有敏感的響應，并且這款電子皮膚可以對溫度進行響應。

人機交互

將電子皮膚裝飾在機器人表面，當觸摸它時會立即產生信號給控制器，以實現機器人的智能感知。在智能電器上增加這樣的一個人機界面，人的動作和安裝傳感器的設備會實現更好的互動，使人機交互設備擁有更加真實的觸感。華中科技大學的周啟豪等研究了基于透明柔性電極的可視化觸摸感知皮膚，其將光學信號轉化為測量壓力信號，不僅擴大了電子皮膚的使用范圍，而且極大地改善了人機交互的體驗。日本理化研究所Park等制備了一種基于納米圖案化有機太陽能電池的自供能超柔性生物傳感器，該傳感器在長期運行中具有較高的機械和熱穩定性，在人機兼顧的電子產品和人機交互領域有潛在的用途。北京科技大學的陳帥設計了一種仿生可拉伸運動記憶傳感器，該傳感器具有優異的應變監測性能和穩定的信息存儲能力，在人機交互領域表現出巨大的應用前景。Ye等研究了基于碳材料的柔性傳感器，其可以植入人體或與衣服相融合，它以柔性好、靈敏性高、更加真實的接觸感覺在人機交互方面等得到了廣泛的應用。

生物醫療

將電子皮膚應用于生物醫療是一項大膽的嘗試，這項突破將拉開生物醫療革命的序幕，甚至有望用于治療帕金森病及癲癇癥患者。與傳統的檢測復雜的有線儀器相比，電子皮膚會使患者感到更加的舒適，而且不會限制使用者的活動。將電子皮膚貼在檢測區域，可以提前發現發炎和傷口感染的跡象。擁有儲存器的電子皮膚還可以儲存病人的診斷信息，向病人提供適合的醫療方法。陳帥制作的柔性仿生電子傳感器件可通過及時監測人體的呼吸深度與呼吸頻率判斷重危病人的人體性能，防止并發癥的出現;此外，該電子皮膚還可以貼在人體胸腔和手腕處獲取人體微弱的血壓信號。通過對呼吸的監測還可以分析出不同人的睡眠質量，對癥下藥做出相應的調整，保障人體健康，這一點對新生嬰兒的睡眠監測具有重要意義。謝敏隨等研發的電化學葡萄糖傳感器在使用時間、特性方面有了極大的提高，被廣泛用于生物醫療方面。張飛飛等將通過蠶絲蛋白制成的熒光材料應用于電子皮膚，使其擁有了生物相容性和較深的組織穿透能力，將其植入生物體內能夠實現組織的生物成像，這項研究在生物醫療成像方面具有很大的應用潛力。

心率脈搏監測

柔性電子器件可以通過對人體微小的脈搏變化，快速準確地檢測得出診斷結果，這將會是電子皮膚在人體生理信號監測方面重要的應用支撐。Jang團隊改善過的電子皮膚微系統在這個方面也有重要應用。除此之外，Cheng等利用壓力傳感器制作了仿人工皮膚觸覺傳感器，該傳感器被用于手術過程中脈搏和血壓的持續記錄。張慧慧等將智能電子與傳統服飾相結合，制備了可對人體脈搏、溫度等做出迅速反應的T恤，在不斷完善后，這種服飾也擁有防水、防火、防腐蝕等功能，不斷地滿足人們的需要。高曉月利用壓電納米復合材料所制成的電子皮膚具有高適配性和高靈敏性，在心率脈搏檢測方面具有良好的應用前景。

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