多重生物启发的柔性电子皮肤，具有按需黏附和光电协同展示能力
多重生物启发的柔性电子皮肤，具有按需黏附和光电协同展示能力
柔性电子皮肤在健康监测、人机交互等领域具有深远意义。然而，现有技术在生物界面的黏附性和电学功能的精准性上仍面临诸多挑战。为此，研究人员从章鱼的可逆黏附机制和变色龙的变色原理中汲取灵感，提出一种新型电子皮肤设计范式，旨在实现按需黏附和光电协同信息显示。
导读
电子皮肤作为一种前沿技术，正逐步从科幻走向现实。它不仅具备传感等电子元件功能，还能与生物体进行紧密交互，为健康监测、智能假肢和人机交互等领域带来诸多可能。然而，现有电子皮肤技术面临黏附性能不足、信号监测精度低、功能单一等应用瓶颈。这些问题限制了电子皮肤的广泛应用。
为了解决这些难题，研究人员从大自然中汲取灵感，借鉴章鱼的黏附能力和变色龙的变色机制，开发出一种新型的柔性电子皮肤。这种电子皮肤不仅能够实现按需黏附，还能通过光电协同技术实现多种生理信号的精准监测和独立显示。这一设计提升了电子皮肤的性能，为未来智能穿戴设备和医疗健康领域的发展提供了新的思路和方向。
图1 图文摘要
柔性电子皮肤在生物医学领域，如健康监测、人机交互和智能假肢等方面，具有深远的意义和广阔的应用前景。实现这些应用的关键在于设计和制造柔性导电材料，并实现与生物界面的相互作用以及生理信号的监测。这对材料与生物界面相互作用设计和电学功能的实现路径提出了严峻挑战。目前的黏附系统在可控性和鲁棒性方面仍存在不足，导致黏附和脱离行为难以精确调控。此外，大多数柔性电子设备仅能检测单一模态的电子信号，准确度低且易受干扰。因此，开发具有先进黏附行为和精确多模态协同能力的新型柔性电子器件意义重大。
研究创新
本研究受章鱼的黏附机制和变色龙的变色机制中的启发，提出了一种具备按需黏附和光电协同信息显示能力的电子皮肤新范式。章鱼通过操控吸盘中的半球形结构实现可逆黏附，而变色龙则利用色素细胞中的纳米光栅产生的结构色快速改变皮肤颜色以适应环境。模仿这些生物特性，研究人员开发的功能材料不仅展现出独特的黏附性和光学特性，还可通过神经网络等信号处理手段实现了多模态生理信号的精准解耦与展示（图2）。
图2 OE-skin的制备流程。首先制备了具有反蛋白石结构的PU膜，而后与在阵列模板中的水凝胶相互耦合，最终得到OE-skin。
在本研究中，研究人员采用碳纳米管（CNT）杂化的聚丙烯酰胺（PAAm）-明胶双网络水凝胶构建导电柔性基底，并引入温度响应的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）的章鱼启发半球形黏附阵列。进一步将其与柔性聚氨酯（PU）逆乳胶膜集成，设计出光电子皮肤（OE-skin）。该电子皮肤不仅实现了可控且坚固的黏附性能（图3），还能监测生物界面上的多模态生理信息（图4）。得益于碳纳米管和聚丙烯酰胺网络的协同作用，电子皮肤展现出卓越的鲁棒性和对温度及运动的高灵敏度监测能力。同时，通过结合碳纳米管的光热效应与PNIPAm黏附阵列的温度敏感性，赋予了材料按需黏附特性。更具吸引力的是，PU层的优异柔韧性和反蛋白石结构赋予了该设备运动时的视觉颜色感知能力。通过神经网络对光电子协同信号进行处理，研究人员实现了温度和运动信号的准确、独立且无干扰显示。这些特性表明，研究人员开发的柔性电子皮肤具有良好的设计理念和实用功能，有望为智能柔性电子设备的发展提供新的思路。
图3 OE-Skin的可控黏附机理。在不同的近红外光照射下，其可以控制界面水的分布、物理接触及分子相互作用的强弱，从而实现黏附与非黏附状态的转变。
图4 OE-skin在人体表面的多模态检测能力。其可以通过电学和光学的双模态传感，实现对温度和运动信号解耦的输出。
总结与展望
受自然生物学启发，研究人员开发出一种新型柔性电子皮肤OE-skin。其具备按需黏附能力，并能够实现协同光电传感功能，展现出先进的技术优势与产品化潜力。其主要材料均为商用化材料，且制备工艺简便可行，具备较好重复性和稳定性。未来，研究人员可通过优化制备条件、采用大尺寸微纳米模板等手段推动产业放大。从技术整合角度来看，OE-skin已展现出与神经网络的交互能力，有望与现有的信号采集、传输和存储技术相结合，为基于视觉的生理监测、医学诊断和人机交互提供一种全新的智能生物柔性传感解决方案。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666675825000803
DOI:10.1016/j.xinn.2025.100877
引用格式：Li W., Li J., Ding X., et al. (2025). Multi-bioinspired electronic skins with on-demand adhesion and optoelectronic synergistic display capabilities. The Innovation 6:100877.