加州理工学院开发由汗水驱动的电子皮肤，领航未来的机器人技术

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出汗是一件平常的小事，我们运动后出一身汗会觉得特别神清气爽。你以为汗液除了盐分就没什么特别的了？其实不然，汗液里包含着很多科学密码，甚至可以打开下一代可穿戴设备和机器人技术的大门。

可穿戴设备的主要挑战之一是电源。很多科学家都在使用电池，有些人曾经尝试过使用太阳能电池来收集人体运动的能量，但这些无法实现可持续性供电。目前，汗液这种天然可持续的‘能源’逐渐走进了高科技实验的行列，“我们能从汗水中获得足够的能量来为可穿戴设备供电吗？” 答案是肯定的。

最近，加州理工学院的研究团队开发了一种由人类汗水控制的电子皮肤，可帮助开发下一代机器人和医疗设备。电子皮肤，顾名思义，它可重现人类皮肤响应环境因素变化的能力。这个新鲜出炉的电子皮肤通过生物燃料电池从人的汗液中收集能量，对关键的代谢生物标志物（例如葡萄糖，尿素，NH 4 +和pH值）进行采集，并通过低功耗蓝牙将个性化信息无线传输到用户界面。

这个神奇的新型设备非常轻薄，佩戴的时候甚至感觉不到它的存在。它由两个主要部分组成：（i）包含生物传感器的柔性电化学贴片，用于人类汗液中的能量收集和分析。（ii）包含刚性电子器件的超薄聚酰亚胺板，用于电源管理，信号处理和无线传输。电子器件用聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装，以避免汗液与电子器件接触，引起设备故障。

电子皮肤由生物燃料电池供电，可以产生足够的持续稳定的电力。我们的汗液中含有浓缩的乳酸，会被电子皮肤的燃料电池吸收——该燃料电池由碳纳米管制成，阳极为乳酸氧化酶（Lox），这种酶可以分解乳酸盐生成丙酮酸。阴极为铂/钴合金纳米颗粒，将周围的氧气还原为水。这种氧化还原反应会产生稳定的电流来为电子皮肤负载供电。

为了验证电子皮肤作为生物传感器的有效性，三个实验人员佩戴着电子皮肤进行了健身房必做项目——动感单车运动。每个人以60rpm的速度踩单车40分钟，然后休息10分钟。当电子皮肤充分接触到汗液后，开始每15秒钟通过蓝牙将传感数据传输到屏幕，并且在对温度和汗液分析物进行校准后，数据会进一步转换为浓度水平。

该电子皮肤还可以作为机器人辅助的人机界面，电子皮肤放在出汗的手臂上，能够实时无线控制机械臂的运动：机械臂能够识别出人类手臂的手势，然后接近并抓住目标物体。

除此之外，它还可以实现假肢行走控制，从而在现实环境中实现康复辅助治疗。通过结合更多的用于脑电图和肌电图记录的物理传感器以及连续的代谢监测，多模式电子皮肤可以促进新型假体的设计和优化。

研究人员表示“我们希望该系统成为一个平台。除了是可穿戴生物传感器之外，它还可以是人机界面。使用该平台收集的生命体征和分子信息可用于设计和优化下一代假肢。”

原文链接：

https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz7946

论文题目：

Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed andwireless sensing for human-machine interfaces

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