科学家开发防汗电子 “智能皮肤” 即使在锻炼时也能采集可靠的生命体征

该贴片上有人工汗液通道，类似于人类皮肤上的毛孔，研究人员在材料的超薄层上蚀刻了这些管道。毛细孔在贴片上打孔，形成了类似于日本剪纸艺术的kirigami图案。这种设计确保了汗水可以通过贴片排出，防止皮肤受到刺激和对嵌入式传感器的损害。

kirigami设计还有助于贴片在拉伸和弯曲时与人体皮肤相适应。这种灵活性，加上材料的耐汗能力，使它能够长期监测一个人的健康状况，这在以前的 "电子皮肤 "设计中是不可能的。这项成果于2021年6月30日发表在《科学进展》杂志上，是向追踪日常生命体征或皮肤癌和其他疾病进展的长效智能皮肤迈出的一步。

麻省理工学院机械工程系副教授Jeehwan Kim说：“有了这种符合要求的、可透气的皮肤贴片，就不会有任何汗液积累、错误信息或从皮肤上脱落。"我们可以提供可穿戴的传感器，可以做持续的长期监测。”

研究合著者包括主要作者和麻省理工学院博士后Hanwool Yeon，以及麻省理工学院机械工程系、材料科学与工程系和电子研究实验室的研究人员，还有来自化妆品集团Amorepacific和韩国各地其他机构的合作者。

Kim的小组专门从事柔性半导体薄膜的制造。研究人员开创了一种称为远程外延的技术，即在高温下在晶圆上生长出超薄、高质量的半导体薄膜，并有选择地剥离这些薄膜，然后他们可以将其组合和堆叠，形成远比传统晶圆设计更薄、更灵活的传感器。

最近，他们的工作引起了化妆品公司Amorepacific的注意，该公司对开发薄型可穿戴胶带以持续监测皮肤的变化感兴趣。该公司与Kim达成合作，将该小组的柔性半导体薄膜制作成可以长期佩戴的东西。

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。大多数实验性设计将传感器嵌入到粘性的聚合物材料中，而这些材料的透气性并不高。其他设计由纳米纤维编织而成，可以让空气通过，但不能让汗水通过。如果电子皮肤要长期工作，Kim意识到它不仅要能渗透水汽，还要能渗透汗水。

“汗水会在电子皮肤和你的皮肤之间积累，这可能会导致皮肤损伤和传感器故障，”Kim说。“因此，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，研究人员研究了人类的汗毛孔。他们发现，平均毛孔的直径约为100微米，而且毛孔是随机地分布在整个皮肤上。他们进行了一些初步的模拟，看看他们如何叠加和安排人造毛孔，其方式不会阻止人类皮肤中的实际毛孔。

"我们的简单想法是，如果我们在电子皮肤中提供人造汗腺导管，并为汗液制造高渗透性的路径，我们就可能实现长期的可监测性，"Yeon解释说。

他们从一个周期性的小孔图案开始，每个小孔的大小与实际的汗孔差不多。他们发现，如果孔的间隔很近，距离小于平均孔的直径，那么整个图案将有效地渗透汗液。但他们也发现，如果将这种简单的孔洞图案蚀刻在薄膜上，薄膜的可伸展性不强，在应用于皮肤时很容易破裂。

研究人员发现，他们可以通过在每个孔之间切割薄的通道来增加孔图案的强度和灵活性，创造一个重复的哑铃图案，而不是简单的孔，从而放松压力，而不是将其集中在一个地方。这种模式，当被蚀刻在一种材料上时，创造了一种可伸展的、类似kirigami的效果。

“如果你把一张纸包在一个球上，它是不符合要求的，”Kim说。“但是，如果你在纸上切出一个kirigami图案，它就可以顺应。所以我们想，为什么不把孔用切口连接起来，在皮肤上有类似kirigami的保形性？同时，我们可以渗透汗水。”

根据这一原理，该团队用多个功能层制作了一个电子皮肤，每个功能层都被他们刻上了哑铃状的孔洞。皮肤层包括一个超薄的半导体图案的传感器阵列，以监测温度、水化、紫外线照射和机械应变。这个传感器阵列被夹在两层薄薄的保护膜之间，所有这些都覆盖着一种粘性聚合物粘合剂。

Yeon说：“电子皮肤就像人的皮肤一样–非常有弹性和柔软，而且汗水可以通过它渗透出来。”

研究人员通过将电子皮肤粘在一名志愿者的手腕和额头上进行测试。志愿者在一周内连续佩戴该胶带。在这期间，新的电子皮肤可靠地测量了他的体温、水化水平、紫外线照射和脉搏，即使是在诱发出汗的活动中，如在跑步机上跑步30分钟和食用辛辣食物。

该团队的设计还符合皮肤，当志愿者被要求在大汗淋漓的情况下反复皱眉时，它能粘在志愿者的额头上，而其他电子皮肤的设计则缺乏汗液渗透性，很容易从皮肤上脱落。

Kim计划改进该设计的强度和耐久性。虽然这种贴片既能透汗，又有很强的适应性，这要归功于它的kirigami图案，但正是这种图案，加上贴片的超薄形式，使它对摩擦相当脆弱。因此，志愿者不得不在胶带周围穿上一个套管，以便在淋浴等活动中保护它。

"由于电子皮肤非常柔软，它可以被物理损坏，"Yeon说。"我们的目标是提高电子皮肤的复原力。