来源：“高分子科技”公众号
随着人机交互技术和柔性电子的快速发展，传统笨重且刚性的电子产品正逐渐被柔性可穿戴设备所取代。能够模拟人体皮肤功能的电子皮肤引发了广泛关注。作为一种新型柔性可穿戴传感器，下一代理想电子皮肤的目标是集成人体皮肤的三大功能（传感、保护和温度控制）。但当前大多数电子皮肤受到机械性能的限制，难以应对复杂的生活场景。因此，作为仿生电子皮肤，如何精确实现天然皮肤的高性能生理结构和功能，对拓展柔性可穿戴器件的应用具有重大意义。
日前，中国科学技术大学龚兴龙教授团队受人体皮肤启发设计了一种多功能Leather/Ag/Polyborosiloxane elastomer（LAP）电子皮肤，其集成了温度调节、电磁干扰（EMI）屏蔽、抗冲击和压阻传感能力。皮革外侧的致密纹路对应天然皮肤的表皮层，作为抵御外部环境的机械屏障。银纳米线与银片交织成三维复合网络，填充在生物相容的皮革胶原纤维间隙中，对应人体真皮层结构。随后，引入速率相关的聚硼硅氧烷弹性体（PBSE）以替代皮下组织层，提升整体缓冲吸能效果（图1）。最终的 LAP 电子皮肤表现出极高的电磁屏蔽能力（≈75 dB）、良好的焦耳热性能（3.0 V 供电电压下达110 °C）和出色的抗冲击性（能量耗散率超过85%）。有趣的是，它还能区分低速压缩和高速冲击行为，呈现出相反的电阻变化趋势。在此基础上，设计了一种新型智能背心，实现了区域加热、形状感知和蓝牙报警，在医疗保健、可穿戴防护装备和人机交互领域显示出广阔的应用潜力。该工作已发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，题为“Exceed the Traditional Dead Leather to Intelligent E-Skin”。
图1. LAP电子皮肤的制备工艺和传感-防护机理。
皮革纤维和PBSE之间具有良好的界面黏附效果，剥离强度（σp）达385.3 J m⁻²。其中，银纳米线可作为“桥梁”连接相邻银片，粘附于皮革纤维上，提升三维导电网络空间接触位点。得益于银与胶原纤维束之间的紧密缠绕和广泛的氢键作用，银的修饰显著提高了LAP的抗拉强度（9.28 MPa），表现出优异的机械性能（图2）。
图2. LAP电子皮肤的微观表征和力学拉伸性能。
基于优异的导电性和分层微结构，LAP展现出极佳的热管理性能和电磁屏蔽特性。在3.0 V供电电压下，LAP 表面温度最高升至110 °C，并且温度与电压之间具有较好的线性关系。得益于欧姆损耗、界面失配、多次反射构建的三重耗散机制，LAP在1.6 mm厚度的情况下，达到了极高的电磁干扰屏蔽效能（EMI SET≈ 75 dB），远超过商用屏蔽材料标准（20 dB）（图3）。
图3. 热管理和电磁屏蔽性能。
通过落锤冲击试验和有限元模拟对LAP的力学防护性能进行表征，结果显示，在30 cm落锤高度下LAP实现了出色的峰值力缓冲能力和能量耗散率（> 85%）。其主要归因于PBSE中动态B-O键在高应变率下的互锁缠结，使得模量迅速增加，从而耗散了大部分冲击能量（图4）。
图4. 抗冲击性能和有限元模拟。
由于敏感缠结的三维导电网络，LAP实现了低能压缩与动态高能冲击电阻信号的解耦。低速压缩时，LAP电阻下降，能精确识别梯度应变，并具备较快的响应时间（0.52/0.36 s）。受到落锤冲击时，导电网络从锤体中心向四周破坏，电阻在1 ms内急剧上升，呈现与压阻传感相反的变化趋势，并能与冲击能量较好地线性拟合（R² = 0.994）（图5）。
图5. 低速压缩和高速冲击传感性能。
LAP 电子皮肤可贴附于人体不同位置，通过ΔR/R0变化清晰分辨不同程度的压缩、弯曲等日常行为。此外，LAP可作为信号发生器，无线传输摩斯密码，实现了“USTC”、“IMVC”的精确识别（图6）。
图6. 日常行为监测和摩斯密码识别。
通过集成5×5 传感阵列和无线蓝牙技术，设计了一款多功能智能防护皮革背心。该传感阵列可通过电阻信号变化精准识别物体的形状和位置，具备高分辨率的形状感知功能。同时，当遭受小锤冲击时，冲击力引发的导电路径损伤导致电阻增大超过预设阈值，通过蓝牙触发手机报警，展现出极佳的实时安全监测性能（图7）。
图7. 智能防护电热背心。
综上所述，该工作提出了一种基于天然皮革的新型 LAP 电子皮肤，不仅具备优异的力-电磁耦合防护与热管理能力，还实现了低能量与高能量传感信号的解耦。一维银纳米线与二维银片缠绕皮革纤维形成高效三维导电网络，赋予 LAP 电子皮肤出色导电性和高电磁干扰屏蔽效能。基于此，开发的多功能皮革背心兼具优异电加热与无线冲击传感能力，其传感阵列可精准识别压力的形状与位置，彰显了 LAP 电子皮肤在下一代可穿戴电子设备与机器人领域的广阔应用潜力。
论文的第一作者为中国科大工程科学学院硕士研究生姚悦，通讯作者为中国科大工程科学学院龚兴龙教授、宣守虎教授和香港浸会大学Ken Cham-Fai Leung associate professor。该研究获得国家自然科学基金、城市轨道交通安全与应急管理安徽省重点实验室开放课题以及中国科大学生创新创业基金的资助与支持。
原文链接：Y. Yao, Z. Fan, X. Gong, D. Li, W. Yang, K. C.-F. Leung, X. Wang, S. Liu, J. Yang, S. Xuan, Exceed the Traditional Dead Leather to Intelligent E-Skin. Adv. Funct. Mater. 2025, 2500572.
https://doi.org/10.1002/adfm.202500572