電子皮膚是一種柔性材料，可以模擬人類皮膚特性，廣泛應用于機器人、數字健康、時尚和物聯網等領域。為了實現能量自主，研究人員致力于開發緊湊型柔性能源系統，包括能量收集器、能量存儲設備、低功耗電子元器件和高效/無線功率傳輸技術。這些技術的發展將改變可穿戴系統市場，尤其是電子皮膚市場。要克服挑戰，需要提高能量收集效率、增加能量存儲容量、降低功耗，并尋找合適的材料。電子皮膚有著廣闊的發展前景，未來的研究將進一步探索其能源自主性，拓展其應用領域。

電子皮膚是一種人工智能皮膚，由多個傳感器組成，模仿人類皮膚的觸覺能力（圖1）。它可以用于機器人、假肢等，賦予它們觸覺能力，并且可以測量體內和環境的各種參數。實現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，研究者們正在開發輕型電子皮膚、可穿戴式能量收集器、柔性電池和超級電容器等替代解決方案。在能源方面，光能、熱能和機械能因其存在于電子皮膚所處的環境中而表現出色，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能也被認為是有希望的能源來源。在能量收集技術方面已取得一些進展，如可拉伸光伏電池、光熱發電器和柔性摩擦電能納米發電機等。然而，目前這些技術的性能還未達到完全自主電子皮膚的要求。因此，現階段的挑戰是尋找新的能源來源和高效的能量收集機制，以及將不同的能量收集和存儲技術整合成一個便攜式電源裝置。未來需要進一步研究和發展具有持續工作、高穩定性和可靠性的電子皮膚系統。

▲圖1 機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、機械能、化學能和熱能，包括：(i)能量采集（光能、機械能、化學能和熱能）、(ii)能量儲存（電池和超級電容器）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。研究人員詳細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出、功率轉換效率和功率密度等指標。考慮到一些應用需要電子皮膚具有柔性和適應性，并能夠與三維表面相適應，研究人員在討論中考慮了一些具有可折疊性、可適應性、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

太陽能是一種環境中豐富的可再生能源，其提供給地球表面的能量遠遠超過全球人類一年所消耗的能量。太陽能電池是將光能轉化為電能的裝置，主要使用基于半導體薄膜的固態材料制成，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性要求的柔性太陽能電池，以滿足電子皮膚等特殊應用的需要。其中常用的是非晶硅，其光電轉換效率約為8%。同時，人們也在努力研發新一代低成本太陽能電池，希望能夠實現更高的光電轉換效率、輕量化，并采用印刷技術進行制造。這些新技術包括染料敏化太陽能電池、基于有機材料的太陽能電池、基于量子點的太陽能電池以及基于鈣鈦礦的太陽能電池。對于便攜和可穿戴的自供能電子皮膚等應用，太陽能電池的光電轉換效率取決于太陽照明的強度。

機械能

研究人員正在探索如何利用環境中的機械能源來為微型和納米設備供電。我們身處的環境中存在各種機械振動，比如人的步行、心跳以及機械引擎等，它們可以產生能量。這些機械能可以被收集和轉換為電能，用來為微型和納米設備提供能源。舉個例子，我們可以利用道路上車輛和行人的運動來產生能量，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。這些技術對于發展電子皮膚非常重要，因為機械能可以通過機器人或人體運動來收集，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微型和納米發電器，這些發電器可以在極小的范圍內產生能量，并且適用于電子皮膚等應用。

納米線在壓電發電領域有著廣泛的應用前景。它們可以通過收集和轉換機械能為電能來實現能量轉換。然而，納米線壓電發電器的性能受到一些限制。首先，納米線只能單向導電，難以實現直接的交流輸出，從而導致輸出功率較低。其次，納米線之間的接觸面積有限，容易出現接觸不良，影響能量轉換效率。此外，納米線本身的內阻較高，電能轉換效率較低。為了解決這些問題，研究人員提出了一些策略，比如利用共振現象和多層結構來增強壓電效應，使用鉑包覆的齒狀電極誘導納米線振動，以及采用夾持配置將輸出特性轉為交流。納米線壓電發電器在克服這些問題方面取得了重要進展，具有廣闊的應用潛力。研究人員正在不斷改進設計和制備工藝，以提高性能和擴大應用范圍。

▲圖3 展示了壓電能量發生器的示意圖。a為基于納米線的壓電納米發電器的三維結構。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-納米線異質結構的納米發電器的示意圖。j1-j3展示了壓電發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電器的示意圖。o展示了空氣壓力驅動的納米發電器在注射器內部的示意圖。

熱能

熱電技術是一種利用來自引擎和人體產生的熱能轉換為電能的方法。這項技術可以有效地利用環境中的能量，而無需使用化石燃料。在電子皮膚領域，已經有一些利用熱電技術收集能量的實例。通過將傳統的熱電偶或者納米材料制作成電子皮膚，可以將人體產生的熱能轉化為電能。雖然人體產生的熱能有限，但放置在適當位置的發電器仍然可以產生一定的電功率。這項技術可以應用于未來的設備中，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，還可以將熱電發電器與光伏電池結合起來，從環境光和人體熱能中收集能量。將熱電發電器的尺寸縮小到微觀或納米級別，可以減輕能量收集器的重量，并且可以通過連接多個發電器形成陣列來增加總體輸出功率。總而言之，人體熱能收集技術在未來的應用中具有潛力，可以為一些低功率設備提供持續的能量供應，并且具有靈活性和便攜性的特點。

朝著持續能源供應的方向前進：能量儲存和無線充電技術

超級電容器

高效收集和管理環境中的可再生能源是自供電系統的關鍵。為了確保持續的能源供應，e-皮膚需要適合的能源儲存方案。目前最有前景的解決方案是柔性電池和超級電容器。 然而，目前存在一個問題，就是便攜式能源儲存技術依賴于笨重的導線傳輸能量，這影響了設備的便攜性和自主性。為了解決這個問題，可穿戴系統需要減少導線的密度和尺寸，甚至開發無線能量傳輸技術。超級電容器是一種有前景的能量儲存替代品，具有高能量密度、功率密度、比電容和體積電容等優點。它們由導電聚合物、金屬氧化物納米結構、碳基材料等制成。超級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運行，并為人工肢體中的執行器提供能量。此外，將超級電容器制造在服裝、手套、編織物和織物材料等非傳統基底上，使其成為時尚工業中可穿戴系統或電子皮膚的有前景的選擇。總之，柔性電池和超級電容器是解決能源儲存問題的有前景的技術，對于自供電系統的發展和可穿戴系統的實現具有重要意義。

▲圖5 能源存儲裝置 自供電e-皮膚

電子皮膚是由多個傳感器組成的，可以模仿人類皮膚的特征，給機器人和假肢提供觸覺能力。它在執行精細任務、照顧老年人、救援行動和太空探險等方面非常重要。電子皮膚還可以作為人體的第二層皮膚，通過測量各種身體參數和環境參數來增強感知能力。為了實現這些功能，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性表面。電子皮膚還可以用于醫療護理領域，進行健康監測和現場治療等。為了持續為電子皮膚供電，已經研究了一種混合系統，利用光能、機械能和熱能來供電。光伏電池被用于收集光能，并可以存儲多余的能量以供夜晚或光照不足時使用。除了光伏電池，還可以使用其他能量收集和儲存技術來供電。這些自供電的觸覺敏感系統對于不同形狀的物體具有高靈敏度，并在機器人和假肢中實現了觸覺反饋。柔性太陽能電池和超級電容器等技術也被應用于電子皮膚，展示了有效的能量生成和存儲。這些技術的發展為未來實現完全自供電的機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. 對應的三維結構圖。c. SPP工作原理示意圖。授權轉載自Lee等人166，版權所有2013年美國化學學會。d. 由鈣鈦礦光伏電池和超級電容器組成的SPP的三維結構圖。e. 圖中展示了一種輕質織物納入了輕質SPP和棉線的軍服。經許可轉載自Li等人，版權所有2016年Springer Nature。f. 和g. 圖中展示了一個包裹著柔性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構圖和i. 工作原理，由SPP供電。經許可轉載自Ostfeld等人，版權所有2016年Springer Nature。 機械能發電技術在可穿戴應用中也廣泛應用。通過利用摩擦電和壓電納米發電機等技術，可以將機械振動轉化為電能，并使用超級電容器進行能量存儲，從而實現功能性自供電裝置（SPP）。這些裝置可以應用于可穿戴設備，例如嵌入在鞋墊中的自充電微超級電容器動力單元（SCMPU），可以通過人體步行時的動作產生的能量持續點亮LED燈。此外，還介紹了利用納米陣列壓電電極和超級電容器結合形成的SPP，以及具有高度可伸縮性的自供電電動SC。這些技術的發展為可穿戴設備提供了可持續自供電的解決方案。

▲圖7 展示了自供電可穿戴電子皮膚的裝置和應用。其中，a是柔性自充電微超級電容器動力單元（SCMPU）的三維示意圖，b展示了彎曲的SCMPU產生足夠的電能點亮LED燈，c展示了嵌入在鞋墊中的SCMPU。d展示了通過摩擦電發電機（TENG）實現的SC的充放電機制，下方顯示了不同人體運動下SC的輸出情況。e展示了集成在衣物上的SPP，它由TENG和超級電容器組成。f是一個由CNT/Ti電極和AAO膜作為超級電容器，并帶有壓電納米發電機（PZNG）的單個SPP的三維示意圖，g展示了一個3×3的串聯SPP陣列。這些研究結果展示了自供電裝置在可穿戴領域的潛力和應用。 總結

為了實現電子皮膚，科學家們需要克服許多挑戰。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的方法，將微小的元件轉移到柔性基底上。這種方法可以提高元件的密度和性能。另一個挑戰是電子皮膚的能源供應。電子皮膚需要能夠持續供電以運行傳感器和電子元件。研究人員正在開發自供電系統，通過集成能量收集和存儲裝置，如太陽能電池和超級電容器，以實現能源的無線傳輸和存儲。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合，以實現太陽能供電的觸覺感應；或者使用熱電發電器收集人體產生的熱能，并為電子皮膚上的傳感器供電。總的來說，電子皮膚是一項前沿技術，具有廣闊的應用前景。隨著技術的進一步發展，我們可以期待電子皮膚在醫療、虛擬現實、智能健身等領域發揮重要作用。