■本報記者 沈春蕾
近年來，柔性電子器件在健康監測、個性化醫療等領域備受關注。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測生理信號的能力。
香港城市大學副教授于欣格帶領團隊通過三維定向汗液輸運技術，開發了透氣、透汗和高集成度的柔性電子器件，可以實現7天連續舒適佩戴以及生理信號穩定監測，為長期、舒適的可穿戴電子設備提供了設計思路。3月28日，相關研究成果發表于《自然》。
高性能和透氣性相悖
相關研究指出，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作風險，進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，柔性信息反饋技術依賴的執行器件在尺寸、重量、功耗上均較大，研發輕便、低功耗的基于柔性電子和人體的感知與交互技術，在智慧醫療、人機交互、虛擬現實和人工智能等領域具有廣闊的應用前景。由此，于欣格帶領團隊開展了深入研究。
“我們發現，柔性電子皮膚的力學、電學等高性能與其透氣性不能兼得，甚至是相悖的。”于欣格告訴記者，柔性電子皮膚較差的透氣性導致汗液揮發不了，不僅造成佩戴者生理不適，而且嚴重時會引起皮膚發炎，還會降低電子器件的信號質量以及黏附強度，限制了可穿戴電子設備的生理信號監測能力。
定向輸運汗液技術
此前有報道稱，柔性電子器件可以通過構建納米或微米尺度孔洞結構，為皮膚提供透氣、透汗通道。
于欣格團隊曾嘗試在這個方向開展相關研究，但發現由于單一的結構設計，構建的納米或微米尺度孔洞結構只能實現電極層面的透氣性。“可穿戴電子設備包括功能更加復雜的傳感器、電路、封裝等結構。要實現高集成度、多功能的透氣電子皮膚，我們在流體操控和系統集成等方面仍面臨巨大挑戰。”他說。
在《自然》這篇論文中，于欣格團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，研究人員利用這些生物特殊表面上液體自發輸運的機制，設計了一種在三維尺度上對液體進行自發、定向輸運的結構——三維液體二極管。
于欣格介紹，在三維液體二極管的引導下，液體傳輸速率超過人體正常排汗速率的4000倍。基于此，研究人員開發出一種透氣、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備—— 一種透氣、透汗的心電監測貼片。
相關用戶體驗實驗顯示，相比同類產品，這款心電監測貼片在用戶舒適性、長期生物相容性、出汗狀態下的黏附性和信號質量方面有更出色的表現，在佩戴者日常活動和運動狀態下可以實現長達7天的連續心電監測。
于欣格透露，他們還將該技術應用于織物集成電子中，設計了一種無須電池、舒適佩戴的多功能無線環境監測衣物。
柔性電子未來可期
隨著科技的發展以及人們對健康的關注，可穿戴電子設備的使用越來越廣泛。精準和舒適，既是佩戴者對可穿戴電子設備的要求，也是于欣格等研究人員努力的方向。
“我們希望開發出更多柔性電子器件或者其他輔助性設備，使其不僅便攜、佩戴舒適，還可實時、精準監控健康狀態。”于欣格告訴《中國科學報》，柔性電子器件的優勢是輕薄化、小型化和可穿戴化，讓佩戴者沒有負擔和壓力。
于欣格曾帶領團隊開發出一款皮膚虛擬現實（VR）系統。該系統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，基于前期的技術積累，于欣格團隊提出了一種用于構建柔性、集成透氣電子皮膚的普適性策略。
“我們期待能實現透氣電子皮膚從概念到實際應用的發展，在改善柔性電子皮膚用戶體驗的同時，進一步激發其在臨床監護以及長期健康監測領域的應用潛力。”于欣格說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1
《中國科學報》 (2024-03-28 第1版 要聞)
