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皮肤是人体最大的器官,它是人体与外部环境之间的物理屏障,同时具有高度敏感的触觉、振动、湿度和温度感知能力,为人体提供卓越的多功能的传感网络。电子皮肤（E-skin）是一种基于仿生学的柔性电子界面,它能够再现生物皮肤识别外界材料的不同形状和纹理,感知压力、触觉、湿度和温度的变化,在智能机器人、人机交互设备、健康监测等领域具有多种潜在应用。然而,如何将高灵敏度、低检测限、大拉伸性和多重刺激反应能力整合到单一的电子皮肤中,仍然是一个巨大的挑战。未来的机会在于制造能够感知多种外部环境变化的高智能电子皮肤,而该领域迅速增长的创新将对科学界和人类生活产生重要影响。本文采用高拉伸性、质轻和高透气性的热塑性弹性聚氨酯（TPU）纤维膜作为基体材料,高导电性的还原氧化石墨烯（RGO）与银纳米线（AgNWs）作为导电层,模仿贻贝外壳的多层结构,制备了具有多种刺激感知能力,且性能可调的自供能柔性电子皮肤。我们研究了该电子皮肤的结构与性能关系,分别探究了电子皮肤对于拉伸、弯曲、湿度刺激的敏感行为、响应机理与实际应用。此外,我们还研究了该电子皮肤在可拉伸摩擦电纳米发电机和自供能触觉传感器等领域的应用。具体研究内容如下:1、电子皮肤的结构设计及其影响因素研究（1）受贻贝外壳多层结构的启发,我们对电子皮肤进行了设计和制备:（i）用静电纺丝法制备20μm厚的TPU纳米纤维膜;（ii）实验室合成的AgNWs与RGO按一定比例均匀分散在乙醇中,利用高压喷涂涂覆在制备好的TPU纤维膜上;（iii）原位纺织一层TPU纤维膜覆盖AgNWs/RGO导电层;（iv）重复上述步骤,制备TPU纤维膜与AgNWs/RGO层层叠加的仿贻贝外壳多层结构。（2）从微观形貌上探究了AgNWs、RGO含量和导电层数对电子皮肤结构与导电性的影响:AgNWs/RGO含量大于0.011 g/cm2时,多层结构的粘合稳定性被破坏;电子皮肤的导电性与AgNWs含量和导电层数成正比,断裂伸长率与导电层数成反比。（3）详细探究了8层AgNWs/RGO导电网络,AgNWs含量为50%电子皮肤（E-skin-8）的表面、断面和导电层微观形貌。该电子皮肤中TPU纤维膜与AgNWs/RGO结合牢固,导电网络构筑完善。此外,构成该电子皮肤的纤维膜疏松多孔,可以轻松透过水蒸气（在95oC时2 h蒸发量为57.6%）,保持良好的透气性。2、E-skin-8的拉伸变形,弯曲变形敏感性研究（1）研究了电子皮肤在拉伸应变响应下的可调节性。通过改变RGO和AgNWs的比例,电子皮肤的应变检测范围可以在3-200%范围内调节。通过改变AgNWs/RGO导电层数,电子皮肤的检测范围可以在46-200%的范围内调节。该调节性为解决应变敏感中响应度与检测范围的矛盾提供了新思路。（2）详细研究了E-skin-8的拉伸应变响应行为,该电子皮肤达到超高的应变检测范围（200%）、超低响应极限（0.1%）、高灵敏度（灵敏度因子,GF=1902.5）、快速响应时间（20 ms）和极佳的耐久稳定性（11000个循环的拉伸/释放测试）。通过拉伸过程中的微观结构观察,我们构建了“微裂缝-AgNWs桥接-岛状结构”的导电网络演化过程。（3）探究了E-skin-8对弯曲变形的敏感性能,该电子皮肤可以对0-80%弯曲率高灵敏地响应,且具备较好的耐久稳定性（1000个弯曲循环测试）。此外,我们通过研究E-skin-8电阻变化行为解释了弯曲敏感机理,这对于弯曲敏感传感器有一定启发意义。（4）研究了E-skin-8在人体运动和健康监测等领域的应用。该电子皮肤不仅可以实时监测人体单个关节的运动,还可以同时监测多个关节的组合运动（例如打羽毛球运动）。此外,E-skin-8可以监测人类面部肌肉、后颈和声带的动作,在面部表情、肢体语言和声音监测上表现出良好前景。更为重要的是,E-skin-8可以感知人体微弱的脉搏跳动,在健康呵护和人机交互领域有着广泛的应用。3、E-skin-8对于湿度的敏感行为研究（1）模拟了不同湿度的环境来测试E-skin-8对湿度的敏感性能,在85%相对湿度（RH）下,该电子皮肤的电阻变化达到了4%,表现出优异的灵敏性。此外,E-skin-8对水分子的吸附和解吸附时间分别为13 s和14 s,显示出极好的快速敏感性。（2）从微观结构上探究了电子皮肤湿度敏感的机理。疏松多孔的TPU纤维膜给予了水分子通过的自由;亲水的石墨烯导电层可以快速吸附水分子,提高对湿度的响应时间;得益于多层的导电层结构,RGO具有较大的面积和空间来进行水分子的解吸附,从而使回复时间大大缩短。（3）探索了E-skin-8湿度敏感行为的应用。该电子皮肤可以监测空气湿度,还可以轻松贴附在口罩上监测人体呼吸。更重要的是,电子皮肤可以检测距离5mm处手指的湿度,由此我们制备了E-skin-8传感阵列,这在非接触传感和控制领域有着巨大应用潜力。4、E-skin-8作为可拉伸摩擦电纳米发电机（STENG）供电性能和作为自供电触觉传感器研究（1）多孔粗糙且可拉伸性优异的TPU纤维膜为制备STENG创造了条件。我们研究了电子皮肤供能行为,E-skin-8（4 cm2）可以提供超高电压（202.4 V）和较大大的瞬时功率密度（6 m W/m2）,还表现出良好的稳定性（10000次工作循环）,此外,该电子皮肤（100 cm2）在工作时产生的电能可以点亮120个LED灯,可以作为一种高效的可拉伸能源供应装置。（2）我们研究了E-skin-8在拉伸状态下的供电能力。该电子皮肤在100%应变下具备高效的供电能力,超高拉伸变形下（200%应变）仍具备稳定的电荷输出能力。经过1000次200%应变的拉伸循环,E-skin-8导电网络依旧完整,发电能力与拉伸前几乎无差别。（3）研究了E-skin-8产生的电压与摩擦时的压力的关系,发现该电子皮肤拥有高灵敏的触觉感知能力(78.4 k Pa-1)和对压力的快速响应能力（1.4 ms）。鉴于此,我们制备了E-skin-8自供能触觉传感器阵列,其不仅可以感知手指按压的力度,还可以感知手指的运动轨迹,这种超可拉伸的电子皮肤和能量转换系统在物联网、软机器人和人机交互等领域显示出良好的应用前景。