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NEW 物理学系教授金星焕团队，实现自产电能的电子皮肤
- 2021-06-30
- 4905
2021-06-15
亚洲大学研究组利用丝绸蛋白质纳米纤维，实现了通过触摸发电的电子皮肤。因此，安装在人体皮肤或软机器人上，可以利用为从移动中产生电能或作为感觉器官的新一代生物电子元件。
我校的教授金星焕（物理系，研究生院能源系统系）表示，在丝绸蛋白质纳米纤维上，开发出了用碳纳米纤维墨水画出回路的电子纹身，并成功将其作为摩擦电收割元件。丝绸蛋白质是从蚕茧中产生的亲生物材料。
此次研究成果刊登在能源材料领域最高权威杂志《Advanced Energy Materials, Impact Factor 25.245》6月11日刊上。 论文题目是"基于人类-机器界面的丝绸蛋白质和碳纳米管的自我发展、无知电子纹身(Self-powered and imperceptible electronic tattoos based on silk protein nanofiber and carbon nanotubes for human-machine)"。第一作者是我国大学BK研究助理教授纳兰达·戈古拉（Narendar Gogurla），教授金星焕作为校审者参与了此次研究。
最近，全世界对可附着在人体皮肤上的新一代医疗保健电子元件的研究非常活跃。其中，以经常发生的摩擦、静电现象为能源的摩擦电收割元件，能够将人体平时的动作转换为电能，因此备受关注。摩擦电收元件是医疗保健元件动作的能量源，甚至可以应用于传达人体动态信息的人工触觉器官。
但为了高能效，必须使用与元件相匹配的材料（例如头发和塑料产生最好的静电）一直是直接接触人体皮肤、生产电能的绊脚石。而且不管皮肤曲折，元件都要附着在皮肤上，构成成分也要以对人体无害的构成，这一点一直被认为是摩擦电收元件相关研究的难关。
对此，金星焕教授的研究团队非常关注天然丝绸蛋白质。蚕茧中产生的丝绸蛋白质是生物亲和性、物理、化学性优秀、利用可能性较高的生物高分子材料。
研究组首先利用电辐射方法，制作了厚度为人类头发50分之1的丝绸纳米纤维纸。利用碳纳米纤维墨水，用毛笔在丝绸纳米纤维纸上画出想要的电路，再盖上丝绸纳米纤维纸，完成纹身贴纸。 只要将它放在沾水的皮肤上，就可以形成电子纹身。
这样制作的电子纹身厚度非常薄，可以放在手上的指纹等密密麻麻的褶皱表面，在除淋浴以外的其他日常生活中也可以保持稳定的电气特性。使用完电子纹身后，用湿巾等轻轻擦拭即可，因此管理起来也很容易。碳纳米纤维所造成的有害性，被植入在电子纹身中间的丝绸纳米纤维所阻断。
附着在皮肤上的电子纹身有趣地展现了皮肤接触的最佳效率。这意味着，为达到停电效率，无需佩戴乳胶手套等其他异物。这样收获的电能足以驱动LED或秒表等小型机器。通过触摸可以产生电信号，这意味着可以作为人工触觉器官使用。亚洲大学研究组在皮肤上实现了像素纹身，成功展示了用手指画的字可以转换成电信号传达。
金星焕教授表示:"在人体皮肤上集成电子回路的研究虽然取得了很大进展，但是生物适宜性及与生物组织的接口问题相对来说还是被忽视的"，"如果利用丝绸蛋白质等生物物质蛋白质，可以为克服生物组织和电子元件的不同物性差异提供接口"。
金教授接着补充道"此次开发的材料技术展示了天然生物材料可以应用于为生命体和人工生命体的电子元件的体现上"，"今后可以应用于多种医疗保健元件和软机器人领域"。
此次研究由农村振兴厅主管的农业政策支援技术开发事业、韩国研究财团主管的中坚研究者支援事业、BK21 Four事业和京畿道主管的地区合作研究中心事业(GRRC)支援进行。
[图片说明] (左)丝绸摩擦电器电子纹身概念图 通过生物合成的电子纹身，通过皮肤触碰可以聚集电能。（右）人工触觉器官实验。体现皮肤上的像素，通过触摸画的字体信息可以传达到电信号。
（注：本文出现的所有人名均系音译）