防汗电子“智能皮肤”即使在锻炼期间也能保持可靠的生命体征

韩国麻省理工学院的工程师和研究人员开发了一种防汗“电子皮肤”——一种舒适的、嵌入传感器的粘性贴片，即使佩戴者出汗也不会出现故障或剥落，它可以监测一个人的健康状况。

该贴片上有人造汗管图案，类似于人类皮肤的毛孔，研究人员通过材料的超薄层蚀刻。毛孔以剪纸状图案贯穿贴片，类似于日本剪纸艺术。该设计确保汗水可以通过贴片逸出，防止皮肤刺激和对嵌入式传感器的损坏。

剪纸设计还有助于贴片在拉伸和弯曲时贴合人体皮肤。这种灵活性与材料的抗汗能力相结合，使其能够长时间监测人的健康状况，这在以前的“电子皮肤”设计中是不可能的。该结果于 2021 年 6 月 30 日发表在Science Advances 上，是迈向持久智能皮肤的一步，该皮肤可以跟踪日常生命体征或皮肤癌和其他疾病的进展情况。

麻省理工学院机械工程副教授 Jeehwan Kim 说：“有了这种舒适、透气的皮肤贴片，就不会出现任何汗水堆积、错误信息或与皮肤脱离的情况。” “我们可以提供可进行持续长期监测的可穿戴传感器。”

Kim 的合著者包括第一作者和麻省理工学院博士后 Hanwool Yeon、麻省理工学院机械工程系、材料科学与工程系以及电子研究实验室的研究人员，以及来自化妆品集团爱茉莉太平洋和韩国其他机构的合作者。

汗流浃背的障碍

Kim 的团队专门制造柔性半导体薄膜。研究人员开创了一种称为远程外延的技术，该技术涉及在高温下在晶圆上生长超薄、高质量的半导体薄膜，然后选择性地剥离薄膜，然后他们可以将这些薄膜组合和堆叠起来，形成比传统晶圆更薄、更灵活的传感器。基于设计。

最近，他们的工作引起了化妆品公司 Amorepacific 的注意，该公司对开发薄的可穿戴胶带以持续监测皮肤的变化很感兴趣。该公司与 Kim 合作，将集团的柔性半导体薄膜制成可以长时间佩戴的东西。

但该团队很快就遇到了其他电子皮肤设计尚未清除的障碍：汗水。大多数实验设计将传感器嵌入在不太透气的粘性聚合物基材料中。由编织纳米纤维制成的其他设计可以让空气通过，但不能让汗水通过。如果电子皮肤要长期发挥作用，Kim 意识到它必须不仅可以渗透蒸汽，还可以渗透汗水。

“汗水会在电子皮肤和您的皮肤之间积聚，这可能会导致皮肤损伤和传感器故障，”Kim 说。“所以我们试图同时解决这两个问题，让汗水渗透到电子皮肤中。”

进行切割

为了获得设计灵感，研究人员着眼于人体汗孔。他们发现平均毛孔的直径约为 100 微米，并且毛孔随机分布在整个皮肤上。他们进行了一些初步模拟，以了解它们如何以一种不会阻塞人体皮肤实际毛孔的方式覆盖和排列人造毛孔。

“我们的简单想法是，如果我们在电子皮肤中提供人造汗管并为汗液制作高渗透性路径，我们可能会实现长期监测，”Yeon 解释道。 

他们从周期性的孔图案开始，每个孔的大小都与实际的汗孔一样大。他们发现，如果孔隙间隔很近，距离小于平均孔隙直径，则整个模式将有效地渗透汗水。但他们也发现，如果将这种简单的孔图案蚀刻在薄膜上，薄膜的伸缩性就不是很好，而且贴在皮肤上时很容易破裂。

研究人员发现，他们可以通过在每个孔之间切割细通道来增加孔模式的强度和灵活性，创建重复哑铃的模式，而不是简单的孔，放松应变，而不是将其集中在一个地方。这种图案在蚀刻到材料中时，会产生可拉伸的剪纸效果。

“如果你把一张纸包在一个球上，它就不合适了，”Kim 说。“但如果你在纸上剪出剪纸图案，它就会符合要求。所以我们想，为什么不用切口连接孔，在皮肤上有类似剪纸的一致性？同时，我们可以渗透汗水。”

遵循这一基本原理，该团队从多个功能层制造了一个电子皮肤，每个功能层都蚀刻有哑铃图案的毛孔。皮肤层包括超薄半导体图案传感器阵列，用于监测温度、水合作用、紫外线照射和机械应变。该传感器阵列夹在两个薄保护膜之间，所有保护膜都覆盖在粘性聚合物粘合剂上。

“电子皮肤就像人的皮肤——非常有弹性和柔软，汗水可以渗透其中，”Yeon 说。

研究人员将电子皮肤贴在志愿者的手腕和前额上进行了测试。志愿者连续佩戴胶带超过一周。在此期间，新的电子皮肤能够可靠地测量他的体温、水分含量、紫外线照射和脉搏，即使是在出汗的活动中，例如在跑步机上跑步 30 分钟和吃辛辣的食物。

该团队的设计也贴合皮肤，贴在志愿者的额头上，让他反复皱眉，大汗淋漓，相比其他电子皮肤设计，缺乏汗水渗透性，容易从皮肤上脱落。

Kim 计划提高设计的强度和耐用性。虽然胶带既能渗透汗水又高度贴合，但由于其剪纸图案，同样的图案加上胶带的超薄形式，使其在摩擦时非常脆弱。结果，志愿者不得不在胶带周围戴上一个外壳，以在淋浴等活动中保护它。

“因为电子皮肤非常柔软，它可能会受到物理损坏，”Yeon 说。“我们的目标是提高电子皮肤的弹性。”