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研究背景

隨著可穿戴電子技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，科學(xué)家對(duì)于能夠在日常活動(dòng)中持續(xù)監(jiān)測(cè)生理信號(hào)的需求日益增加。這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)早期疾病預(yù)測(cè)、自主診斷、個(gè)性化治療以及慢性病管理等目標(biāo)。然而，盡管在機(jī)械和電學(xué)特性方面取得了顯著進(jìn)展，但當(dāng)前可穿戴電子設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中一個(gè)主要問(wèn)題是電子材料和設(shè)備的透氣性不佳，導(dǎo)致在使用一定時(shí)間后，汗液在皮膚與設(shè)備之間積聚，影響了用戶的舒適度和信號(hào)采集質(zhì)量。

為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們開始探索制造具有良好透氣性的可穿戴電子設(shè)備。然而，現(xiàn)有的透氣電子設(shè)備大多僅包含簡(jiǎn)單的功能組件，如電極、傳感器等，而不具備高度集成和多功能性，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

成果簡(jiǎn)介

有鑒于此，香港城市大學(xué)于欣格教授團(tuán)隊(duì)等人于Nature期刊發(fā)表題為A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics的最新研究成果。本研究提出了一種基于三維液體二極管（3D LD）的集成透氣可穿戴電子的方法。與現(xiàn)有設(shè)計(jì)不同，這項(xiàng)研究利用水平液體二極管（HLD）和垂直液體二極管（VLD）結(jié)合的方式，構(gòu)建了一種具有良好透氣性的電子設(shè)備平臺(tái)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，研究人員成功地實(shí)現(xiàn)了高性能可穿戴電子的直接集成，并且能夠有效地排出汗液，不影響汗液的自然排出過(guò)程。

他，獲《麻省理工科技評(píng)論》創(chuàng)新35人，發(fā)Nature！

圖文導(dǎo)讀

圖1展示了透氣電子相比傳統(tǒng)柔性電子的優(yōu)勢(shì)以及透氣電子的結(jié)構(gòu)和性能。在圖1a中，左側(cè)展示了傳統(tǒng)柔性電子，右側(cè)展示了透氣電子。透氣設(shè)計(jì)使得電子設(shè)備具有增強(qiáng)的透氣性和汗液排出功能，從而提高了信號(hào)穩(wěn)定性、附著強(qiáng)度和佩戴舒適度。在圖1b中，展示了集成系統(tǒng)級(jí)透氣電子的示意圖，包括透氣電極、3D?LD和柔性電路板。通過(guò)3D?LD，汗液可以通過(guò)電極、VLD和HLD的單向傳輸，實(shí)現(xiàn)汗液的持續(xù)傳輸，同時(shí)防止回流。

在圖1c中，顯示了運(yùn)動(dòng)前后由商業(yè)電極和透氣電極記錄的心電圖信號(hào)。結(jié)果顯示，透氣電極具有更好的信號(hào)穩(wěn)定性。在圖1d中，顯示了運(yùn)動(dòng)前后電極-皮膚界面附著強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果。透氣電極具有更高的附著強(qiáng)度，表明其在運(yùn)動(dòng)條件下具有更好的穩(wěn)定性。在圖1e中，展示了不同電極佩戴3天后的皮膚刺激評(píng)估結(jié)果。透氣電極對(duì)皮膚的刺激更小，表明其具有更好的佩戴舒適性。在圖1f中，顯示了透氣皮膚集成和基于紡織品的電子設(shè)備，進(jìn)一步展示了透氣電子在增強(qiáng)舒適度和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用潛力。綜上所述，圖1展示了基于3D?LD概念的集成透氣可穿戴電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和性能優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)更舒適、穩(wěn)定的可穿戴電子設(shè)備提供了重要參考。

圖1. 基于3D?LD概念的集成系統(tǒng)級(jí)透汗可穿戴電子產(chǎn)品

為了展示透氣電極和VLD的特性，研究者在圖2首先展示了3D?LD的橫截面表示，說(shuō)明了單向汗液傳輸?shù)臋C(jī)制。透氣電極的設(shè)計(jì)利于在汗液孔上方形成開放通道，維持與指尖的穩(wěn)定緊密接觸，而汗液在開放通道內(nèi)的滲透表現(xiàn)出汗液瓦解的特征。VLD則展示了單向汗液傳輸?shù)臋C(jī)制，通過(guò)單個(gè)通道進(jìn)行反重力汗液傳輸。在VLD的設(shè)計(jì)中，研究者通過(guò)調(diào)整處理?xiàng)l件，實(shí)現(xiàn)了高汗液傳輸速率和小的親水區(qū)域，以最大程度地提高排汗效率。此外，對(duì)VLD的透氣性和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示VLD具有良好的透氣性和穩(wěn)定性。

圖2. 滲透性電極和 VLD 的特性

HLD和3D?LD的特征化揭示了這些關(guān)鍵組件在汗液排放系統(tǒng)中的作用。首先，HLD通過(guò)精心設(shè)計(jì)的梯度親水微柱實(shí)現(xiàn)了單向排汗的能力，同時(shí)采用交叉形支撐結(jié)構(gòu)保護(hù)微柱免受損壞，并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證了其機(jī)械穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在優(yōu)化參數(shù)下，HLD具有良好的汗液傳輸性能，可在不同的變形條件下維持穩(wěn)定的傳輸。其次，針對(duì)PDMS的固有疏水性，研究人員采用PVA/SiO2復(fù)合涂層對(duì)其進(jìn)行超親水處理，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期的耐久性超親水性。超親水涂層的PDMS表現(xiàn)出了良好的汗液傳輸率，尤其在汗液潤(rùn)濕表面后，傳輸率顯著增加。此外，微柱高度和直徑被認(rèn)為是影響傳輸率的關(guān)鍵因素，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后，HLD展現(xiàn)出了穩(wěn)定的傳輸能力和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

對(duì)于3D?LD的特征化，研究人員通過(guò)插入環(huán)形PET織物實(shí)現(xiàn)了與VLD和HLD的集成，形成了汗液排放系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。有限元分析模擬進(jìn)一步證實(shí)了3D?LD在汗液傳輸方面的高效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與PDMS基底相比，3D?LD表現(xiàn)出更優(yōu)異的透氣性和汗液滲透性，維持了與人工皮膚的完全貼合。此外，細(xì)胞毒性評(píng)估結(jié)果表明，3D?LD具有良好的生物相容性，可安全用于皮膚接觸應(yīng)用。

圖3. HLD 和 3D?LD 的特性

圖4展示了對(duì)汗液管理對(duì)穿戴舒適性和設(shè)備性能的評(píng)估。首先，為了了解不同貼片在運(yùn)動(dòng)時(shí)的附著力，研究者進(jìn)行了附著力測(cè)試。商用ECG電極、PDMS薄膜、VLD和3D LD等四種貼片被粘貼在測(cè)試對(duì)象的皮膚上，經(jīng)過(guò)30分鐘的測(cè)試后觀察到商用ECG和PDMS貼片脫落，而VLD和3D LD保持牢固粘附（見圖a）。進(jìn)一步的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，貼片的附著強(qiáng)度與透氣性和柔軟性呈正相關(guān)（見圖b）。

接著，研究者進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間佩戴測(cè)試，將不同貼片貼在受試者的前臂上進(jìn)行了連續(xù)3天的使用。結(jié)果顯示，佩戴VLD和3D LD貼片的皮膚沒(méi)有發(fā)生明顯的刺激或炎癥，而商用ECG和PDMS貼片導(dǎo)致皮膚發(fā)生明顯的紅斑（見圖c）。此外，VLD和3D LD的優(yōu)異透氣性使得它們?cè)?2小時(shí)的佩戴期間獲得了最長(zhǎng)的佩戴時(shí)間，表現(xiàn)出卓越的佩戴舒適性能力（見圖d和e）。

最后，研究者評(píng)估了汗液積累對(duì)生物信號(hào)采集的影響，使用了三種類型的電極進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)后商用ECG和基于PDMS的電極的信噪比明顯降低，而3D LD電極在運(yùn)動(dòng)前后都能提供穩(wěn)定的皮膚-電極阻抗和ECG信號(hào)（見圖h和i）。

圖4. 水分管理對(duì)穿著舒適度和設(shè)備性能的評(píng)估

圖5中展示了3D LD技術(shù)在兩種可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用：一種是薄而柔軟的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，另一種是紡織品集成的天氣站。心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用可拆卸設(shè)計(jì)，由兩個(gè)關(guān)鍵部分組成：蒸汽/汗液釋放基底和柔軟的電路層?；缀穸葹?.65mm，重量為1.05g，具有良好的彎曲剛度和彈性模量。電路層厚度為2.1mm，包括電池在內(nèi)的重量為1.55g。通過(guò)垂直互連通道，皮膚電極與電子連接器相連，確保了在各種變形條件下的穩(wěn)定功能。將設(shè)備固定在受試者的胸部，通過(guò)無(wú)線傳輸將心電數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機(jī)。與傳統(tǒng)的有線連接型設(shè)備相比，該設(shè)備表現(xiàn)出更佳的心電讀數(shù)，且具有更好的穿戴舒適性和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。另一方面，紡織品集成的天氣站是一種無(wú)電池、柔軟、透氣、多功能和無(wú)線的設(shè)備，能夠監(jiān)測(cè)溫度、濕度、紫外線指數(shù)、大氣壓力和海拔高度。通過(guò)近場(chǎng)通信技術(shù)，可以將天氣數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)設(shè)備上。這些集成系統(tǒng)級(jí)的透氣可穿戴電子設(shè)備展示了3D LD技術(shù)的通用性和可擴(kuò)展性，為可穿戴電子技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。

這些創(chuàng)新的應(yīng)用為用戶提供了更加舒適和便捷的可穿戴電子產(chǎn)品選擇，同時(shí)保持了高水平的功能性和性能穩(wěn)定性。通過(guò)3D LD技術(shù)，這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了良好的濕透性和透氣性，可以有效釋放汗液蒸汽，從而減少了對(duì)皮膚的不適感和潮濕感。同時(shí)，設(shè)備的柔軟性和可伸縮性確保了與人體的良好貼合度，使得用戶可以在日常活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)中自如地使用這些設(shè)備。此外，這些設(shè)備還具有較低的重量和較小的體積，不會(huì)給用戶帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)或不便。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)，這些設(shè)備還可以幫助用戶更好地了解自身的健康狀況和周圍環(huán)境的變化，為健康管理和戶外活動(dòng)提供了有力的支持。

圖5. 透氣、透汗的皮膚集成和紡織電子產(chǎn)品

結(jié)論與展望

本文展示了一種創(chuàng)新的3D LD技術(shù)，通過(guò)整合系統(tǒng)級(jí)濕透性，實(shí)現(xiàn)了超越人體排汗速率三個(gè)數(shù)量級(jí)的性能，從而為醫(yī)療監(jiān)測(cè)可穿戴設(shè)備提供了新的解決方案。這項(xiàng)技術(shù)的科學(xué)啟迪在于其突破了傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備在濕潤(rùn)環(huán)境下的局限性，為人體皮膚和電子設(shè)備之間的穩(wěn)定交互提供了創(chuàng)新的解決方案。通過(guò)綜合的用戶研究，科學(xué)家們展示了3D LD技術(shù)在維持舒適的皮膚-設(shè)備界面方面的卓越性能，以及其在減少運(yùn)動(dòng)偽影和提供可靠信號(hào)方面的優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用為未來(lái)開發(fā)更加智能、連續(xù)和可穿戴的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備提供了重要的啟示，激發(fā)了對(duì)于可穿戴技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新和改進(jìn)。此外，通過(guò)不斷優(yōu)化功能材料、設(shè)備結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)，以及引入可清洗和可恢復(fù)的背膠，將有助于提高設(shè)備的性能和可持續(xù)性，從而推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。這項(xiàng)研究對(duì)于醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備的未來(lái)發(fā)展具有重要的科學(xué)啟示，有望為實(shí)現(xiàn)更加智能、舒適和可靠的醫(yī)療監(jiān)測(cè)提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

作者簡(jiǎn)介

于欣格 (Xinge Yu)，香港青年科學(xué)院院士。香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系副教授、博導(dǎo)，香港城大-中科院機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室副主任，香港心腦血管健康工程研究中心協(xié)理副主任。2023香港RGC Research Fellow 獲得者。主持國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（港澳）。《麻省理工科技評(píng)論》創(chuàng)新35人、IEEE納米醫(yī)學(xué)發(fā)明家、MINE青年科學(xué)家、日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)獲得者?！禡icrosystems & Nanoengineering》、《Bio-Design and Manufacturing》等10余部期刊的副主編和編委。研究方向?yàn)樾滦腿嵝噪娮釉谏镝t(yī)療領(lǐng)域以及智能觸覺(jué)VR中的應(yīng)用。在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering等期刊發(fā)表論文160余篇。

文獻(xiàn)信息

Zhang, B., Li, J., Zhou, J. et al. A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1

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