电子皮肤是一项前沿技术，具有广阔的应用前景

电子皮肤是一种柔性材料，可以模拟人类皮肤特性，广泛应用于机器人、数字健康、时尚和物联网等领域。为了实现能量自主，研究人员致力于开发紧凑型柔性能源系统，包括能量收集器、能量存储设备、低功耗电子元器件和高效/无线功率传输技术。这些技术的发展将改变可穿戴系统市场，尤其是电子皮肤市场。要克服挑战，需要提高能量收集效率、增加能量存储容量、降低功耗，并寻找合适的材料。电子皮肤有着广阔的发展前景，未来的研究将进一步探索其能源自主性，拓展其应用领域。

电子皮肤是一种人工智能皮肤，由多个传感器组成，模仿人类皮肤的触觉能力（图1）。它可以用于机器人、假肢等，赋予它们触觉能力，并且可以测量体内和环境的各种参数。实现电子皮肤功能需要集成大量传感器和电子组件在柔性适应性的表面上，并且需要高能量密度和容量的能量收集和存储装置。目前，电子皮肤主要依靠电池或能量收集器来满足能量需求，但存在能量供应不足以及便携性和可穿戴性受限的问题。因此，研究者们正在开发轻型电子皮肤、可穿戴式能量收集器、柔性电池和超级电容器等替代解决方案。在能源方面，光能、热能和机械能因其存在于电子皮肤所处的环境中而表现出色，已被证明是良好的能源选择（图2）。此外，人体液体和生物燃料的化学能也被认为是有希望的能源来源。在能量收集技术方面已取得一些进展，如可拉伸光伏电池、光热发电器和柔性摩擦电能纳米发电机等。然而，目前这些技术的性能还未达到完全自主电子皮肤的要求。因此，现阶段的挑战是寻找新的能源来源和高效的能量收集机制，以及将不同的能量收集和存储技术整合成一个便携式电源装置。未来需要进一步研究和发展具有持续工作、高稳定性和可靠性的电子皮肤系统。

▲图1 机器人和人类的多传感器和柔性电子皮肤。

▲图2 自给能量的电子皮肤潜在能源来源包括光能、机械能、化学能和热能，包括：(i)能量采集（光能、机械能、化学能和热能）、(ii)能量储存（电池和超级电容器）以及(iii)自供能电子皮肤解决方案的示例。 电能来源

在这个部分中，研究人员列出了一些最有前途的能源来源，可以用于自给自足的电子皮肤和类似技术。研究人员详细讨论了每种能量收集方法的基本原理，以及它们的大致能量产出、功率转换效率和功率密度等指标。考虑到一些应用需要电子皮肤具有柔性和适应性，并能够与三维表面相适应，研究人员在讨论中考虑了一些具有可折叠性、可适应性、可穿戴性、可拉伸性和适用于低温制造工艺的能量收集解决方案。

光能

太阳能是一种环境中丰富的可再生能源，其提供给地球表面的能量远远超过全球人类一年所消耗的能量。太阳能电池是将光能转化为电能的装置，主要使用基于半导体薄膜的固态材料制成，如晶体硅、非晶硅、多晶硅和单晶硅。近年来，人们还成功制造了适应性要求的柔性太阳能电池，以满足电子皮肤等特殊应用的需要。其中常用的是非晶硅，其光电转换效率约为8%。同时，人们也在努力研发新一代低成本太阳能电池，希望能够实现更高的光电转换效率、轻量化，并采用印刷技术进行制造。这些新技术包括染料敏化太阳能电池、基于有机材料的太阳能电池、基于量子点的太阳能电池以及基于钙钛矿的太阳能电池。对于便携和可穿戴的自供能电子皮肤等应用，太阳能电池的光电转换效率取决于太阳照明的强度。

机械能

研究人员正在探索如何利用环境中的机械能源来为微型和纳米设备供电。我们身处的环境中存在各种机械振动，比如人的步行、心跳以及机械引擎等，它们可以产生能量。这些机械能可以被收集和转换为电能，用来为微型和纳米设备提供能源。举个例子，我们可以利用道路上车辆和行人的运动来产生能量，然后用这些能量无线充电汽车的电池。另外，还有一些研究展示了从人行走中收集能量的电子地毯原型。这些技术对于发展电子皮肤非常重要，因为机械能可以通过机器人或人体运动来收集，从而为分布式电子元件供电。目前，研究人员正在致力于开发微型和纳米发电器，这些发电器可以在极小的范围内产生能量，并且适用于电子皮肤等应用。

纳米线在压电发电领域有着广泛的应用前景。它们可以通过收集和转换机械能为电能来实现能量转换。然而，纳米线压电发电器的性能受到一些限制。首先，纳米线只能单向导电，难以实现直接的交流输出，从而导致输出功率较低。其次，纳米线之间的接触面积有限，容易出现接触不良，影响能量转换效率。此外，纳米线本身的内阻较高，电能转换效率较低。为了解决这些问题，研究人员提出了一些策略，比如利用共振现象和多层结构来增强压电效应，使用铂包覆的齿状电极诱导纳米线振动，以及采用夹持配置将输出特性转为交流。纳米线压电发电器在克服这些问题方面取得了重要进展，具有广阔的应用潜力。研究人员正在不断改进设计和制备工艺，以提高性能和扩大应用范围。

▲图3 展示了压电能量发生器的示意图。a为基于纳米线的压电纳米发电器的三维结构。b和c分别表示其在拉伸和压缩条件下的情况。d展示了自供电触摸纳米传感器的工作原理。f展示了从大鼠和人类食指中收集能量的示意图。g-i展示了基于纤维-纳米线异质结构的纳米发电器的示意图。j1-j3展示了压电发电的工作原理示意图。k和l是碳纤维上涂覆ZnO薄膜的SEM图像，m和n是基于纤维的纳米发电器的示意图。o展示了空气压力驱动的纳米发电器在注射器内部的示意图。

热能

热电技术是一种利用来自引擎和人体产生的热能转换为电能的方法。这项技术可以有效地利用环境中的能量，而无需使用化石燃料。在电子皮肤领域，已经有一些利用热电技术收集能量的实例。通过将传统的热电偶或者纳米材料制作成电子皮肤，可以将人体产生的热能转化为电能。虽然人体产生的热能有限，但放置在适当位置的发电器仍然可以产生一定的电功率。这项技术可以应用于未来的设备中，例如模拟手表或触觉型电子皮肤等不需要电池的装置。此外，还可以将热电发电器与光伏电池结合起来，从环境光和人体热能中收集能量。将热电发电器的尺寸缩小到微观或纳米级别，可以减轻能量收集器的重量，并且可以通过连接多个发电器形成阵列来增加总体输出功率。总而言之，人体热能收集技术在未来的应用中具有潜力，可以为一些低功率设备提供持续的能量供应，并且具有灵活性和便携性的特点。

朝着持续能源供应的方向前进：能量储存和无线充电技术

超级电容器

高效收集和管理环境中的可再生能源是自供电系统的关键。为了确保持续的能源供应，e-皮肤需要适合的能源储存方案。目前最有前景的解决方案是柔性电池和超级电容器。 然而，目前存在一个问题，就是便携式能源储存技术依赖于笨重的导线传输能量，这影响了设备的便携性和自主性。为了解决这个问题，可穿戴系统需要减少导线的密度和尺寸，甚至开发无线能量传输技术。超级电容器是一种有前景的能量储存替代品，具有高能量密度、功率密度、比电容和体积电容等优点。它们由导电聚合物、金属氧化物纳米结构、碳基材料等制成。超级电容器具有快速的能量交付能力，可以支持电子皮肤的连续运行，并为人工肢体中的执行器提供能量。此外，将超级电容器制造在服装、手套、编织物和织物材料等非传统基底上，使其成为时尚工业中可穿戴系统或电子皮肤的有前景的选择。总之，柔性电池和超级电容器是解决能源储存问题的有前景的技术，对于自供电系统的发展和可穿戴系统的实现具有重要意义。

▲图5 能源存储装置 自供电e-皮肤

电子皮肤是由多个传感器组成的，可以模仿人类皮肤的特征，给机器人和假肢提供触觉能力。它在执行精细任务、照顾老年人、救援行动和太空探险等方面非常重要。电子皮肤还可以作为人体的第二层皮肤，通过测量各种身体参数和环境参数来增强感知能力。为了实现这些功能，电子皮肤需要集成大量的传感器和电子元件，并且需要具备柔性和适应性表面。电子皮肤还可以用于医疗护理领域，进行健康监测和现场治疗等。为了持续为电子皮肤供电，已经研究了一种混合系统，利用光能、机械能和热能来供电。光伏电池被用于收集光能，并可以存储多余的能量以供夜晚或光照不足时使用。除了光伏电池，还可以使用其他能量收集和储存技术来供电。这些自供电的触觉敏感系统对于不同形状的物体具有高灵敏度，并在机器人和假肢中实现了触觉反馈。柔性太阳能电池和超级电容器等技术也被应用于电子皮肤，展示了有效的能量生成和存储。这些技术的发展为未来实现完全自供电的机器人和假肢的电子皮肤提供了潜力。

▲图6 自供电装置（SPP）a. 柔性太阳能电池和电池集成形成的柔性SPP的照片和b. 对应的三维结构图。c. SPP工作原理示意图。授权转载自Lee等人166，版权所有2013年美国化学学会。d. 由钙钛矿光伏电池和超级电容器组成的SPP的三维结构图。e. 图中展示了一种轻质织物纳入了轻质SPP和棉线的军服。经许可转载自Li等人，版权所有2016年Springer Nature。f. 和g. 图中展示了一个包裹着柔性PV电池和锂离子电池的灵活SPP的背包和旅行杯的照片。h. 脉搏血氧仪的三维结构图和i. 工作原理，由SPP供电。经许可转载自Ostfeld等人，版权所有2016年Springer Nature。 机械能发电技术在可穿戴应用中也广泛应用。通过利用摩擦电和压电纳米发电机等技术，可以将机械振动转化为电能，并使用超级电容器进行能量存储，从而实现功能性自供电装置（SPP）。这些装置可以应用于可穿戴设备，例如嵌入在鞋垫中的自充电微超级电容器动力单元（SCMPU），可以通过人体步行时的动作产生的能量持续点亮LED灯。此外，还介绍了利用纳米阵列压电电极和超级电容器结合形成的SPP，以及具有高度可伸缩性的自供电电动SC。这些技术的发展为可穿戴设备提供了可持续自供电的解决方案。

▲图7 展示了自供电可穿戴电子皮肤的装置和应用。其中，a是柔性自充电微超级电容器动力单元（SCMPU）的三维示意图，b展示了弯曲的SCMPU产生足够的电能点亮LED灯，c展示了嵌入在鞋垫中的SCMPU。d展示了通过摩擦电发电机（TENG）实现的SC的充放电机制，下方显示了不同人体运动下SC的输出情况。e展示了集成在衣物上的SPP，它由TENG和超级电容器组成。f是一个由CNT/Ti电极和AAO膜作为超级电容器，并带有压电纳米发电机（PZNG）的单个SPP的三维示意图，g展示了一个3×3的串联SPP阵列。这些研究结果展示了自供电装置在可穿戴领域的潜力和应用。 总结

为了实现电子皮肤，科学家们需要克服许多挑战。其中之一是制造小尺寸的元件，如传感器和电子元件。由于电子皮肤需要柔性材料，传统的制造方法无法直接在柔性基底上制造这些元件。因此，研究人员正在探索一种称为组装技术的方法，将微小的元件转移到柔性基底上。这种方法可以提高元件的密度和性能。另一个挑战是电子皮肤的能源供应。电子皮肤需要能够持续供电以运行传感器和电子元件。研究人员正在开发自供电系统，通过集成能量收集和存储装置，如太阳能电池和超级电容器，以实现能源的无线传输和存储。未来的电子皮肤还可以集成其他功能，例如将光伏电池和触觉传感器结合，以实现太阳能供电的触觉感应；或者使用热电发电器收集人体产生的热能，并为电子皮肤上的传感器供电。总的来说，电子皮肤是一项前沿技术，具有广阔的应用前景。随着技术的进一步发展，我们可以期待电子皮肤在医疗、虚拟现实、智能健身等领域发挥重要作用。