复旦大学团队研发新型MOF电子皮肤，实现健康监测新突破
复旦大学团队研发新型MOF电子皮肤，实现健康监测新突破
电子皮肤（e-skin）是一种划时代的技术，它能够模拟人类皮肤的触觉和感知能力，对生理行为和外部环境刺激进行精确感应。多功能的电子皮肤因其出色的灵敏度和适应性，在机器人、运动科学、医疗保健等多个领域展现出广泛的应用潜力。尤其在生物标志物检测和人体动作感应方面，被寄予厚望。然而，电子皮肤的发展面临一大挑战：如何能够基于同一种传感活性材料实现多种高性能探测功能集成。
基于此，复旦大学黄高山/梅永丰、东华大学赵哲/刘宣勇团队近日在Cell Press细胞出版社旗下期刊Device上发表了一篇题为“Deep Learning-Enhanced Metal Organic Framework E-skin for Health Monitoring”的论文。论文展示了一种多功能金属有机框架（MOF）电子皮肤（e-skin）的开发方法。该方法利用原子层沉积（ALD）技术的辅助作用在壳聚糖薄膜衬底上生长均匀致密的Cu-HHTP薄膜并由此构筑了具有多种传感功能的e-skin。该MOF e-skin展现了优秀的生物分子和机械运动探测能力，能独立检测诸如葡萄糖、乳酸、微表情、人体运动、脉搏等多种目标。实验表明，这种e-skin反应迅速、重复性高、灵敏度出众，还能通过Transformer神经网络识别来自生物分子和运动的电流-时间（i-t）曲线，从而分离不同的探测目标。此外，ALD辅助的制备方法还可以用于组装传感器阵列，未来可以实现更多高性能传感器的片上集成。
MOF e-skin的结构和性能
MOF e-skin的结构和性能如图1所示。可以看出MOF e-skin具有良好的柔性且可以实现对乳酸，葡萄糖，ECG等信号的实时响应，展示了其在生物医疗监测中的应用潜力。作者分析了MOF e-skin实现电化学传感和运动传感的主要机制。
电化学性能分析
作者对MOF e-skin的电化学性能进行了详细研究，分析了不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线对不同浓度的葡萄糖和乳酸的电流响应，如图2所示。在此基础上，测试了MOF e-skin的抗干扰性和稳定性。实验结果表明MOF e-skin具有优异的电化学传感性能，其生物分子探测灵敏度可高达11480 µA mM-1 cm-2，检测限可低至0.335 µM。作者借助理论模拟研究了生物分子在MOF e-skin上的吸附及电荷密度分布，阐释了高性能电化学生物分子传感的内在机制。
机械运动传感性能分析
作者进一步探讨了MOF e-skin在不同机械应力下的探测性能，包括器件在弯曲和拉伸应变下的电流响应。图3中800个负载-释放循环的测试结果验证了MOF e-skin具有良好的长期稳定性和快速响应能力。此外，图3还演示了将MOF e-skin粘贴在志愿者喉咙上时可以区分不同的说话音量，而将MOF e-skin贴在脸部可以捕获表情的微小区别。
结合深度学习提升识别能力
结合Transformer神经网络等深度学习方法可以进一步提升MOF e-skin对不同探测目标进行分离和识别的能力。图4展示了处理运动信号的Transformer模型架构，包括多头注意力和多层感知器模块。该研究基于五种表情（哭、笑、微笑、撅嘴、张口）触发的电流信号进行模型训练，利用数据增强技术提高模型的泛化能力，从而实现对面部表情的识别。图4展示了模型在训练过程中准确度提高和测试损失降低的学习进程。将Transformer模型与MOF e-skin结合，可最终实现高准确率的表情分析识别。
提升集成度的设计
为提升MOF e-skin的集成，该研究通过加入牺牲层的方法实现了自支撑MOF薄膜的制备和剥离转移。转移后的MOF e-skin结构完整，保持了优秀的传感性能，在应对物理和化学刺激时仍然表现出显著的电流响应。转移MOF e-skin的实现可用于检测更广泛的对象并提高检测系统的集成度，在健康监测等领域具有更加广阔的应用潜力。
总结与展望
该研究提出了一种新型多功能MOF e-skin的制备策略。该MOF e-skin因其材料及结构特征，能高灵敏度检测生物分子（如葡萄糖和乳酸）及多种运动（如表情、人体运动和心电图信号），且通过理论计算分别探究了这些感测机制。借助Transformer神经网络，MOF e-skin能区分不同来源的电流响应，并加以分析识别。我们还开发了一种自支撑MOF薄膜的制备和转移方法，可用于制造集成化的传感器阵列。未来通过增强其规模化生产能力和整合自适应材料，这项技术有望在临床中获得广泛应用。
本文原文来自Cell Press