受蜘蛛网启发的半液态金属基电子皮肤，用于健康监测和疾病诊断

MEMS 2024-07-31 00:01

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研究背景

可穿戴电子设备在个人健康监测和智能医疗保健系统等领域备受关注。这些设备可通过收集人体生理健康信息，提供早期疾病检测和长期健康监测。传统的刚性医疗保健设备尽管具有出色的机械性能，但由于刚性部件与软组织之间的机械不匹配而面临挑战，导致在组织运动和变形时脱落。此外，传统的可穿戴电子设备难以保持稳定的监测和皮肤接触，特别是在运动、变形和出汗时，这可能会导致长时间使用后的潮湿和炎症。

柔性和可拉伸电子器件因其柔软性和出色的电气性能，已成为一种前景广阔的解决方案，在软体机器人和电子皮肤等领域提供了大量应用。近期的研究主要集中在开发具有优异拉伸性和超强导电性的材料。制造柔软和可拉伸电子器件的主要策略是为刚性导体赋予弹性。例如，在弹性体基质中嵌入刚性导电颗粒可提高拉伸性，从而形成导电复合材料。然而，这些材料在拉伸过程中导电性能不稳定，会破坏原有的导电路径，阻碍了它们在可拉伸电子器件中的应用。室温液态金属（LM）因其低熔点、出色的导电性和内在流动性，已成为柔性可拉伸电子器件的重要材料。共晶镓铟（EGaln）和 Galinstan等LM合金可在液态下轻松适应变形，同时保持高导电性。在液态金属复合材料中加入金属颗粒或高聚物弹性体可为柔性和可拉伸电子产品增加功能。然而，与其他柔性电子材料类似，基于液态金属的柔性电子材料在人体内动态过程中的稳定粘附和实时监测仍然具有挑战性。此外，舒适性和透气性也是需要考虑的关键特性。透气性低的健康监测设备会影响生理信号检测的可靠性、灵敏度和准确性。保持一个具有足够透气性和排水性的微环境对皮肤的健康至关重要。

研究成果

为了应对这些挑战，清华大学深圳国际研究院汪鸿章教授团队为可穿戴应用引入了一种具有半液态金属涂层的新型网状液滴电子器件设计。这种创新设计为电子皮肤提供了高渗透性、出色的伸展性、强附着力和良好的导电性。这种独特结构的灵感来自蜘蛛网的结构，与商用透气贴相比，可显著提高透气性。此外，聚硼硅氧烷的分布模拟了蜘蛛网粘液的粘合特性，而半液态金属在设计中的使用则带来了出色的导电性（9×10⁶ S/m）和拉伸性能（高达850%的应变）。这种先进的电子皮肤技术能够长期监测各种生理参数，并支持机器学习识别功能，具有无与伦比的优势。这种网状液滴结构设计策略为医疗健康监测和疾病诊断领域的商业应用带来了巨大前景。相关研究以“Semi-liquid metal-based highly permeable and adhesive electronic skin inspired by spider web”为题发表在Science Bulletin期刊上。

基于液态金属的高粘合性和透气性网状液滴电子皮肤

网状液滴电子皮肤的粘附特性

7组网状液滴电子皮肤的机械和透气性能

网状液滴电子皮肤的电气特性

体表温度、湿度和光照强度无线多参数监测器件

无线心电图和肌电图监测器件

总结与展望

总之，该研究设计了一种具有网状液滴结构和粘附机制的电子皮肤，它集高透气性、强粘附性和出色的导电性于一身。与商业透气贴片相比，它独特的网状结构具有更优越的透气性，并通过PBS分布实现了更强的粘附力，类似于蜘蛛网粘液。这确保了PBS提供的粘附力随着肢体运动强度的增加而增加，并且不受皮肤表面褶皱和毛发的影响。此外，半液态金属材料的使用还赋予了电子皮肤高导电性（9×10⁶ S/m）和出色的拉伸性能（高达850%的应变）。由于其与表皮的粘附性极佳，这种网状液滴电子皮肤可承受的最大负荷为20 g，符合普通电子元件、柔性电路板（0.88 g）和锂电池（1.42 g）的要求。它能在高加速度、剧烈运动和大量出汗等极端条件下稳定运行，可靠地采集和传输各种生理信号。这种电子皮肤技术实现了对各种生理参数的长期监测和基于机器学习的识别功能。我们相信，这种网状液滴设计与半液态金属涂层相结合，将为医疗健康监测、疾病诊断等领域的新应用铺平道路，并促进其商业化应用。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.06.032