模仿人类皮肤感知功能的电子皮肤（E-skin）是一种新型的柔性可穿戴传感器，具有轻薄、柔软、灵活等特点，可将外界刺激转化为不同的输出信号，因此在智慧医疗、人机交互（HMI）、虚拟现实（VR）和人工智能（AI）等领域具有广阔的应用前景。目前E-skin大多需要与外部电源集成，以及多设备协调。除了传感部分外，大多数组件通常都是刚性的，这极大地影响了E-skin的美感、舒适性和安全性，也对信号采集产生了不利影响。因此，迫切需要开发和构建轻薄、柔软、高透明度和高稳定性的一体化自供电的透明E-skin。
现有E-skin通常依靠有线电源、刚性电池或能量收集装置来供能，这些供能装置存在诸多不足，如有线、刚性、笨重以及不稳定等，因此亟待开发一种与之相匹配的柔性储能装置。美观也是E-skin走向实用化所追求的重要目标，实现透明化E-skin，可提升佩戴者的视觉和美学感受。另外，E-skin的透明效果可为其功能设计增加额外维度，例如附加光伏能源收集和变色效果等功能。然而，目前报道的E-skin大多不透明或部分透明，这主要源于结构设计、材料选择和渗流理论的限制。理想的柔性E-skin应该是其所有组成部件能够满足可拉伸性、透明性、高度集成，具有独立稳定可靠的能源供应组件，以及无线信息传输功能。
兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授领衔的柔性电子科研团队长期从事柔性电子学方面的应用基础研究，2017年首次提出基于一维银纳米线网络的柔性透明热疗片（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9(7): 6644–6651.），可贴敷于人体关节处，自由调节热疗温度，能实时观察治疗部位的皮肤状态，缓解手脚冰凉、关节损伤、风湿等疾病，有望替代传统的加热片、加热垫或加热膏。2019年，将银纳米线网络作为超级电容器的集流体（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(9): 8992–9001.），在表面原位垂直生长了二维纳米片阵列作为活性材料，同时实现了器件高透明度和出色的电化学储能特性。为了摆脱渗流理论限制，团队研发出了直径在两三百纳米、长度在几十厘米的超大长径比银纳米纤维，通过控制纤维排布方向，可获得大面积柔性透明电极，将互为矛盾的导电性和透光率两个关键指标同时获得了大幅度提升。2021年，将银纳米纤维网络作为超级电容器的集流体，设计构建了银纳米纤维与氧化钼纳米线复合的电极结构，在不牺牲透光率的前提下实现了器件电化学储能特性的大幅度提升（Nanoscale Adv., 2021, 3(12): 3502-3512.），文章发表后被选为Popular Advances主题论文。同年，团队通过调控银纳米纤维的排布方向，发现基于定向排列银纤维网络的透明热疗片显示出非常优异的透明性、导电性和机械稳定性，并且实验结果与有限元理论模拟结果完全吻合。该透明热疗片可应用于人体关节热疗和辅助血氧饱和度测试，并且首次发现热疗对皮下肿瘤生长具有明显的抑制效果，从Notch1、Jagged1和Hes1三个信号通路上解释了热疗抑制肿瘤生长的内在机理，证明了其在智慧医疗领域的应用潜力（Adv. Funct. Mater., 2022, 32(21): 2111228.）, 文章发表后被编辑选为Back Cover。系列研究成果被AAAS网站EurekAlert!、Tech Xplore、Medical News Today、新华社、科技日报、光明日报、科学网等上百家国内外媒体网站进行了热点追踪报道。多个相关技术已获得中国发明专利授权。
基于长期的工作积累和研究经验，最近柔性电子科研团队提出了一种一体式自供能的全透明柔性E-skin，该系统由透明超级电容器、可拉伸透明应变传感器和蛇形电阻组成。以富含氧空位的氧化钼纳米线为活性材料，利用纳米纤维素调控光折射率，形成自支撑纸电极，构成的柔性透明超级电容器表现出优异的柔性、透明性和电化学性能。由一维银纳米线和二维MXene纳米片构建的“岛桥结构”应变传感器具有极高的灵敏度，1%应变条件下，GF因子高达220，与同类型器件相比高出2个数量级。超级电容器作为“隐身”电源可为一体式E-skin系统进行供电。实验结果表明，在动态和静态形变情况下，无论应变范围大小，均表现出优异的传感性能。充电后，一体式E-skin贴敷于人体皮肤，可实现对脉搏、吞咽、肢体运动等微弱生理信号和大范围肢体运动等的多尺度人体活动的实时检测。
该研究成果以“Transparent Electronic Skin from the Integration of Strain Sensors and Supercapacitors”为题在国际权威期刊Advanced Materials Technologies上发表，并被遴选为“Editor’s Choice”研究论文。兰州大学物理科学与技术学院兰伟教授为论文的通讯作者，兰州大学物理科学与技术学院硕士生梁杰为论文的第一作者，博士生盛鸿伟和萃英博士后马鸿云为论文的共同一作。
图1. 一体式自供能柔性透明E-skin集成系统的示意图.
图2. 一体式自供能全透明E-skin贴敷于人体皮肤进行健康运动监测
上述研究得到了国家自然科学基金委面上项目、甘肃省自然科学基金、青海省科技合作项目和中央高校基本科研业务费等项目的大力支持。
文章链接：Liang J.#, Sheng H.#, Ma H.#, Wang P., Wang Q., Yuan J., Zhang X., Shao M., Li W., Xie E., Lan W.*, Transparent electronic skin from the integration of strain sensors and supercapacitors[J]. Adv. Mater. Technol., 2022: 2201234. https://doi.org/10.1002/admt.202201234.
拓展阅读：
[1] Lan W., Chen Y., Yang Z., et al. Ultraflexible transparent film heater made of Ag nanowire/PVA composite for rapid-response thermotherapy pads[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(7): 6644-6651.
[2] Sheng H., Zhang X., Ma Y., et al. Ultrathin, wrinkled, vertically aligned Co(OH)2 nanosheets/Ag nanowires hybrid network for flexible transparent supercapacitor with high performance[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11(9): 8992-9001.
[3] Liang J.#, Sheng H.#, Wang Q., et al. PEDOT: PSS-glued MoO3 nanowire network for all-solid-state flexible transparent supercapacitors[J]. Nanoscale Adv., 2021, 3(12): 3502-3512.
[4] Wang Q.#, Sheng H. #, Lv Y. #, et al. A skin-mountable hyperthermia patch based on metal nanofiber network with high transparency and low resistivity toward subcutaneous tumor treatment[J]. Adv. Funct. Mater., 2022, 32(21): 2111228.
