文章來源：中國科學(xué)報

近年來，柔性電子器件在健康監(jiān)測、個性化醫(yī)療等領(lǐng)域備受關(guān)注。但研究收集的用戶體驗反饋顯示，柔性電子器件制備的可穿戴電子設(shè)備的透氣性仍不盡如人意，汗液積聚在器件和皮膚之間，不僅給使用者帶來不舒服的體驗，而且影響電子器件監(jiān)測生理信號的能力。

香港城市大學(xué)副教授于欣格帶領(lǐng)團(tuán)隊通過三維定向汗液輸運(yùn)技術(shù)，開發(fā)了透氣、透汗和高集成度的柔性電子器件，可以實(shí)現(xiàn)7天連續(xù)舒適佩戴以及生理信號穩(wěn)定監(jiān)測，為長期、舒適的可穿戴電子設(shè)備提供了設(shè)計思路。3月28日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然》。

高性能和透氣性相悖

相關(guān)研究指出，將電子器件嵌入輕薄的柔性材料中，可以制備出類似人類皮膚且具有感知功能的柔性電子皮膚。

于欣格向《中國科學(xué)報》介紹了柔性電子皮膚的主要用途：“通過柔性電子皮膚，我們可以收集生理信號的變化，并對收集到的生理信號進(jìn)行采樣處理，及時分析佩戴者的健康狀況以及潛在的疾病發(fā)作風(fēng)險，進(jìn)而通過信息反饋及時告知用戶。”

已有的研究揭示，相較于傳感器件，柔性信息反饋技術(shù)依賴的執(zhí)行器件在尺寸、重量、功耗上均較大，研發(fā)輕便、低功耗的基于柔性電子和人體的感知與交互技術(shù)，在智慧醫(yī)療、人機(jī)交互、虛擬現(xiàn)實(shí)和人工智能等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由此，于欣格帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了深入研究。

“我們發(fā)現(xiàn)，柔性電子皮膚的力學(xué)、電學(xué)等高性能與其透氣性不能兼得，甚至是相悖的?！庇谛栏窀嬖V記者，柔性電子皮膚較差的透氣性導(dǎo)致汗液揮發(fā)不了，不僅造成佩戴者生理不適，而且嚴(yán)重時會引起皮膚發(fā)炎，還會降低電子器件的信號質(zhì)量以及黏附強(qiáng)度，限制了可穿戴電子設(shè)備的生理信號監(jiān)測能力。

定向輸運(yùn)汗液技術(shù)

此前有報道稱，柔性電子器件可以通過構(gòu)建納米或微米尺度孔洞結(jié)構(gòu)，為皮膚提供透氣、透汗通道。

于欣格團(tuán)隊曾嘗試在這個方向開展相關(guān)研究，但發(fā)現(xiàn)由于單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建的納米或微米尺度孔洞結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)電極層面的透氣性?！翱纱┐麟娮釉O(shè)備包括功能更加復(fù)雜的傳感器、電路、封裝等結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)高集成度、多功能的透氣電子皮膚，我們在流體操控和系統(tǒng)集成等方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)?！彼f。

在《自然》這篇論文中，于欣格團(tuán)隊提出了一種全新的研究思路。

受豬籠草、仙人掌、蜘蛛絲等自然界生物啟發(fā)，研究人員利用這些生物特殊表面上液體自發(fā)輸運(yùn)的機(jī)制，設(shè)計了一種在三維尺度上對液體進(jìn)行自發(fā)、定向輸運(yùn)的結(jié)構(gòu)——三維液體二極管。

于欣格介紹，在三維液體二極管的引導(dǎo)下，液體傳輸速率超過人體正常排汗速率的4000倍?；诖?，研究人員開發(fā)出一種透氣、透汗基底，并將其與高性能柔性電路直接集成，制備出兼具高透氣性與高集成度的可穿戴電子設(shè)備—— 一種透氣、透汗的心電監(jiān)測貼片。

相關(guān)用戶體驗實(shí)驗顯示，相比同類產(chǎn)品，這款心電監(jiān)測貼片在用戶舒適性、長期生物相容性、出汗?fàn)顟B(tài)下的黏附性和信號質(zhì)量方面有更出色的表現(xiàn)，在佩戴者日?；顒雍瓦\(yùn)動狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)長達(dá)7天的連續(xù)心電監(jiān)測。

于欣格透露，他們還將該技術(shù)應(yīng)用于織物集成電子中，設(shè)計了一種無須電池、舒適佩戴的多功能無線環(huán)境監(jiān)測衣物。

柔性電子未來可期

隨著科技的發(fā)展以及人們對健康的關(guān)注，可穿戴電子設(shè)備的使用越來越廣泛。精準(zhǔn)和舒適，既是佩戴者對可穿戴電子設(shè)備的要求，也是于欣格等研究人員努力的方向。

“我們希望開發(fā)出更多柔性電子器件或者其他輔助性設(shè)備，使其不僅便攜、佩戴舒適，還可實(shí)時、精準(zhǔn)監(jiān)控健康狀態(tài)。”于欣格告訴《中國科學(xué)報》，柔性電子器件的優(yōu)勢是輕薄化、小型化和可穿戴化，讓佩戴者沒有負(fù)擔(dān)和壓力。

于欣格曾帶領(lǐng)團(tuán)隊開發(fā)出一款皮膚虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）系統(tǒng)。該系統(tǒng)可被看作是一塊酷似人類皮膚、可伸展的布料，厚度只有3毫米，可以直接貼在皮膚上，也可以輕易地取下來。

此次，基于前期的技術(shù)積累，于欣格團(tuán)隊提出了一種用于構(gòu)建柔性、集成透氣電子皮膚的普適性策略。

“我們期待能實(shí)現(xiàn)透氣電子皮膚從概念到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展，在改善柔性電子皮膚用戶體驗的同時，進(jìn)一步激發(fā)其在臨床監(jiān)護(hù)以及長期健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用潛力?！庇谛栏裾f。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1

封面來源：圖蟲創(chuàng)意