電子皮膚是一種柔性材料，可以模擬人類皮膚特性，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)字健康、時(shí)尚和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)能量自主，研究人員致力于開發(fā)緊湊型柔性能源系統(tǒng)，包括能量收集器、能量存儲(chǔ)設(shè)備、低功耗電子元器件和高效/無線功率傳輸技術(shù)。這些技術(shù)的發(fā)展將改變可穿戴系統(tǒng)市場(chǎng)，尤其是電子皮膚市場(chǎng)。要克服挑戰(zhàn)，需要提高能量收集效率、增加能量存儲(chǔ)容量、降低功耗，并尋找合適的材料。電子皮膚有著廣闊的發(fā)展前景，未來的研究將進(jìn)一步探索其能源自主性，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

電子皮膚是一種人工智能皮膚，由多個(gè)傳感器組成，模仿人類皮膚的觸覺能力（圖1）。它可以用于機(jī)器人、假肢等，賦予它們觸覺能力，并且可以測(cè)量體內(nèi)和環(huán)境的各種參數(shù)。實(shí)現(xiàn)電子皮膚功能需要集成大量傳感器和電子組件在柔性適應(yīng)性的表面上，并且需要高能量密度和容量的能量收集和存儲(chǔ)裝置。目前，電子皮膚主要依靠電池或能量收集器來滿足能量需求，但存在能量供應(yīng)不足以及便攜性和可穿戴性受限的問題。因此，研究者們正在開發(fā)輕型電子皮膚、可穿戴式能量收集器、柔性電池和超級(jí)電容器等替代解決方案。在能源方面，光能、熱能和機(jī)械能因其存在于電子皮膚所處的環(huán)境中而表現(xiàn)出色，已被證明是良好的能源選擇（圖2）。此外，人體液體和生物燃料的化學(xué)能也被認(rèn)為是有希望的能源來源。在能量收集技術(shù)方面已取得一些進(jìn)展，如可拉伸光伏電池、光熱發(fā)電器和柔性摩擦電能納米發(fā)電機(jī)等。然而，目前這些技術(shù)的性能還未達(dá)到完全自主電子皮膚的要求。因此，現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)是尋找新的能源來源和高效的能量收集機(jī)制，以及將不同的能量收集和存儲(chǔ)技術(shù)整合成一個(gè)便攜式電源裝置。未來需要進(jìn)一步研究和發(fā)展具有持續(xù)工作、高穩(wěn)定性和可靠性的電子皮膚系統(tǒng)。

▲圖1 機(jī)器人和人類的多傳感器和柔性電子皮膚。

▲圖2 自給能量的電子皮膚潛在能源來源包括光能、機(jī)械能、化學(xué)能和熱能，包括：(i)能量采集（光能、機(jī)械能、化學(xué)能和熱能）、(ii)能量?jī)?chǔ)存（電池和超級(jí)電容器）以及(iii)自供能電子皮膚解決方案的示例。 電能來源

在這個(gè)部分中，研究人員列出了一些最有前途的能源來源，可以用于自給自足的電子皮膚和類似技術(shù)。研究人員詳細(xì)討論了每種能量收集方法的基本原理，以及它們的大致能量產(chǎn)出、功率轉(zhuǎn)換效率和功率密度等指標(biāo)?？紤]到一些應(yīng)用需要電子皮膚具有柔性和適應(yīng)性，并能夠與三維表面相適應(yīng)，研究人員在討論中考慮了一些具有可折疊性、可適應(yīng)性、可穿戴性、可拉伸性和適用于低溫制造工藝的能量收集解決方案。

光能

太陽能是一種環(huán)境中豐富的可再生能源，其提供給地球表面的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過全球人類一年所消耗的能量。太陽能電池是將光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要使用基于半導(dǎo)體薄膜的固態(tài)材料制成，如晶體硅、非晶硅、多晶硅和單晶硅。近年來，人們還成功制造了適應(yīng)性要求的柔性太陽能電池，以滿足電子皮膚等特殊應(yīng)用的需要。其中常用的是非晶硅，其光電轉(zhuǎn)換效率約為8%。同時(shí)，人們也在努力研發(fā)新一代低成本太陽能電池，希望能夠?qū)崿F(xiàn)更高的光電轉(zhuǎn)換效率、輕量化，并采用印刷技術(shù)進(jìn)行制造。這些新技術(shù)包括染料敏化太陽能電池、基于有機(jī)材料的太陽能電池、基于量子點(diǎn)的太陽能電池以及基于鈣鈦礦的太陽能電池。對(duì)于便攜和可穿戴的自供能電子皮膚等應(yīng)用，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率取決于太陽照明的強(qiáng)度。

機(jī)械能

研究人員正在探索如何利用環(huán)境中的機(jī)械能源來為微型和納米設(shè)備供電。我們身處的環(huán)境中存在各種機(jī)械振動(dòng)，比如人的步行、心跳以及機(jī)械引擎等，它們可以產(chǎn)生能量。這些機(jī)械能可以被收集和轉(zhuǎn)換為電能，用來為微型和納米設(shè)備提供能源。舉個(gè)例子，我們可以利用道路上車輛和行人的運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生能量，然后用這些能量無線充電汽車的電池。另外，還有一些研究展示了從人行走中收集能量的電子地毯原型。這些技術(shù)對(duì)于發(fā)展電子皮膚非常重要，因?yàn)闄C(jī)械能可以通過機(jī)器人或人體運(yùn)動(dòng)來收集，從而為分布式電子元件供電。目前，研究人員正在致力于開發(fā)微型和納米發(fā)電器，這些發(fā)電器可以在極小的范圍內(nèi)產(chǎn)生能量，并且適用于電子皮膚等應(yīng)用。

納米線在壓電發(fā)電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。它們可以通過收集和轉(zhuǎn)換機(jī)械能為電能來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。然而，納米線壓電發(fā)電器的性能受到一些限制。首先，納米線只能單向?qū)щ?，難以實(shí)現(xiàn)直接的交流輸出，從而導(dǎo)致輸出功率較低。其次，納米線之間的接觸面積有限，容易出現(xiàn)接觸不良，影響能量轉(zhuǎn)換效率。此外，納米線本身的內(nèi)阻較高，電能轉(zhuǎn)換效率較低。為了解決這些問題，研究人員提出了一些策略，比如利用共振現(xiàn)象和多層結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)壓電效應(yīng)，使用鉑包覆的齒狀電極誘導(dǎo)納米線振動(dòng)，以及采用夾持配置將輸出特性轉(zhuǎn)為交流。納米線壓電發(fā)電器在克服這些問題方面取得了重要進(jìn)展，具有廣闊的應(yīng)用潛力。研究人員正在不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)和制備工藝，以提高性能和擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

▲圖3 展示了壓電能量發(fā)生器的示意圖。a為基于納米線的壓電納米發(fā)電器的三維結(jié)構(gòu)。b和c分別表示其在拉伸和壓縮條件下的情況。d展示了自供電觸摸納米傳感器的工作原理。f展示了從大鼠和人類食指中收集能量的示意圖。g-i展示了基于纖維-納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電器的示意圖。j1-j3展示了壓電發(fā)電的工作原理示意圖。k和l是碳纖維上涂覆ZnO薄膜的SEM圖像，m和n是基于纖維的納米發(fā)電器的示意圖。o展示了空氣壓力驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電器在注射器內(nèi)部的示意圖。

熱能

熱電技術(shù)是一種利用來自引擎和人體產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能的方法。這項(xiàng)技術(shù)可以有效地利用環(huán)境中的能量，而無需使用化石燃料。在電子皮膚領(lǐng)域，已經(jīng)有一些利用熱電技術(shù)收集能量的實(shí)例。通過將傳統(tǒng)的熱電偶或者納米材料制作成電子皮膚，可以將人體產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能。雖然人體產(chǎn)生的熱能有限，但放置在適當(dāng)位置的發(fā)電器仍然可以產(chǎn)生一定的電功率。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于未來的設(shè)備中，例如模擬手表或觸覺型電子皮膚等不需要電池的裝置。此外，還可以將熱電發(fā)電器與光伏電池結(jié)合起來，從環(huán)境光和人體熱能中收集能量。將熱電發(fā)電器的尺寸縮小到微觀或納米級(jí)別，可以減輕能量收集器的重量，并且可以通過連接多個(gè)發(fā)電器形成陣列來增加總體輸出功率。總而言之，人體熱能收集技術(shù)在未來的應(yīng)用中具有潛力，可以為一些低功率設(shè)備提供持續(xù)的能量供應(yīng)，并且具有靈活性和便攜性的特點(diǎn)。

朝著持續(xù)能源供應(yīng)的方向前進(jìn)：能量?jī)?chǔ)存和無線充電技術(shù)

超級(jí)電容器

高效收集和管理環(huán)境中的可再生能源是自供電系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了確保持續(xù)的能源供應(yīng)，e-皮膚需要適合的能源儲(chǔ)存方案。目前最有前景的解決方案是柔性電池和超級(jí)電容器。 然而，目前存在一個(gè)問題，就是便攜式能源儲(chǔ)存技術(shù)依賴于笨重的導(dǎo)線傳輸能量，這影響了設(shè)備的便攜性和自主性。為了解決這個(gè)問題，可穿戴系統(tǒng)需要減少導(dǎo)線的密度和尺寸，甚至開發(fā)無線能量傳輸技術(shù)。超級(jí)電容器是一種有前景的能量?jī)?chǔ)存替代品，具有高能量密度、功率密度、比電容和體積電容等優(yōu)點(diǎn)。它們由導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)、碳基材料等制成。超級(jí)電容器具有快速的能量交付能力，可以支持電子皮膚的連續(xù)運(yùn)行，并為人工肢體中的執(zhí)行器提供能量。此外，將超級(jí)電容器制造在服裝、手套、編織物和織物材料等非傳統(tǒng)基底上，使其成為時(shí)尚工業(yè)中可穿戴系統(tǒng)或電子皮膚的有前景的選擇?？傊?，柔性電池和超級(jí)電容器是解決能源儲(chǔ)存問題的有前景的技術(shù)，對(duì)于自供電系統(tǒng)的發(fā)展和可穿戴系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

▲圖5 能源存儲(chǔ)裝置 自供電e-皮膚

電子皮膚是由多個(gè)傳感器組成的，可以模仿人類皮膚的特征，給機(jī)器人和假肢提供觸覺能力。它在執(zhí)行精細(xì)任務(wù)、照顧老年人、救援行動(dòng)和太空探險(xiǎn)等方面非常重要。電子皮膚還可以作為人體的第二層皮膚，通過測(cè)量各種身體參數(shù)和環(huán)境參數(shù)來增強(qiáng)感知能力。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，電子皮膚需要集成大量的傳感器和電子元件，并且需要具備柔性和適應(yīng)性表面。電子皮膚還可以用于醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域，進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)治療等。為了持續(xù)為電子皮膚供電，已經(jīng)研究了一種混合系統(tǒng)，利用光能、機(jī)械能和熱能來供電。光伏電池被用于收集光能，并可以存儲(chǔ)多余的能量以供夜晚或光照不足時(shí)使用。除了光伏電池，還可以使用其他能量收集和儲(chǔ)存技術(shù)來供電。這些自供電的觸覺敏感系統(tǒng)對(duì)于不同形狀的物體具有高靈敏度，并在機(jī)器人和假肢中實(shí)現(xiàn)了觸覺反饋。柔性太陽能電池和超級(jí)電容器等技術(shù)也被應(yīng)用于電子皮膚，展示了有效的能量生成和存儲(chǔ)。這些技術(shù)的發(fā)展為未來實(shí)現(xiàn)完全自供電的機(jī)器人和假肢的電子皮膚提供了潛力。

▲圖6 自供電裝置（SPP）a. 柔性太陽能電池和電池集成形成的柔性SPP的照片和b. 對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)圖。c. SPP工作原理示意圖。授權(quán)轉(zhuǎn)載自Lee等人166，版權(quán)所有2013年美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)。d. 由鈣鈦礦光伏電池和超級(jí)電容器組成的SPP的三維結(jié)構(gòu)圖。e. 圖中展示了一種輕質(zhì)織物納入了輕質(zhì)SPP和棉線的軍服。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自Li等人，版權(quán)所有2016年Springer Nature。f. 和g. 圖中展示了一個(gè)包裹著柔性PV電池和鋰離子電池的靈活SPP的背包和旅行杯的照片。h. 脈搏血氧儀的三維結(jié)構(gòu)圖和i. 工作原理，由SPP供電。經(jīng)許可轉(zhuǎn)載自O(shè)stfeld等人，版權(quán)所有2016年Springer Nature。 機(jī)械能發(fā)電技術(shù)在可穿戴應(yīng)用中也廣泛應(yīng)用。通過利用摩擦電和壓電納米發(fā)電機(jī)等技術(shù)，可以將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，并使用超級(jí)電容器進(jìn)行能量存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)功能性自供電裝置（SPP）。這些裝置可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，例如嵌入在鞋墊中的自充電微超級(jí)電容器動(dòng)力單元（SCMPU），可以通過人體步行時(shí)的動(dòng)作產(chǎn)生的能量持續(xù)點(diǎn)亮LED燈。此外，還介紹了利用納米陣列壓電電極和超級(jí)電容器結(jié)合形成的SPP，以及具有高度可伸縮性的自供電電動(dòng)SC。這些技術(shù)的發(fā)展為可穿戴設(shè)備提供了可持續(xù)自供電的解決方案。

▲圖7 展示了自供電可穿戴電子皮膚的裝置和應(yīng)用。其中，a是柔性自充電微超級(jí)電容器動(dòng)力單元（SCMPU）的三維示意圖，b展示了彎曲的SCMPU產(chǎn)生足夠的電能點(diǎn)亮LED燈，c展示了嵌入在鞋墊中的SCMPU。d展示了通過摩擦電發(fā)電機(jī)（TENG）實(shí)現(xiàn)的SC的充放電機(jī)制，下方顯示了不同人體運(yùn)動(dòng)下SC的輸出情況。e展示了集成在衣物上的SPP，它由TENG和超級(jí)電容器組成。f是一個(gè)由CNT/Ti電極和AAO膜作為超級(jí)電容器，并帶有壓電納米發(fā)電機(jī)（PZNG）的單個(gè)SPP的三維示意圖，g展示了一個(gè)3×3的串聯(lián)SPP陣列。這些研究結(jié)果展示了自供電裝置在可穿戴領(lǐng)域的潛力和應(yīng)用。 總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)電子皮膚，科學(xué)家們需要克服許多挑戰(zhàn)。其中之一是制造小尺寸的元件，如傳感器和電子元件。由于電子皮膚需要柔性材料，傳統(tǒng)的制造方法無法直接在柔性基底上制造這些元件。因此，研究人員正在探索一種稱為組裝技術(shù)的方法，將微小的元件轉(zhuǎn)移到柔性基底上。這種方法可以提高元件的密度和性能。另一個(gè)挑戰(zhàn)是電子皮膚的能源供應(yīng)。電子皮膚需要能夠持續(xù)供電以運(yùn)行傳感器和電子元件。研究人員正在開發(fā)自供電系統(tǒng)，通過集成能量收集和存儲(chǔ)裝置，如太陽能電池和超級(jí)電容器，以實(shí)現(xiàn)能源的無線傳輸和存儲(chǔ)。未來的電子皮膚還可以集成其他功能，例如將光伏電池和觸覺傳感器結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)太陽能供電的觸覺感應(yīng)；或者使用熱電發(fā)電器收集人體產(chǎn)生的熱能，并為電子皮膚上的傳感器供電?？偟膩碚f，電子皮膚是一項(xiàng)前沿技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們可以期待電子皮膚在醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能健身等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。