美韩科学家研发嵌入传感器、贴合度高的粘性贴片“智能皮肤”

据麦姆斯咨询报道，麻省理工学院(MIT)的工程师和韩国研究人员共同开发出一种防汗的“电子皮肤”——嵌入了传感器、贴合度高的粘性贴片。即使佩戴者大量出汗，也不会失效或脱落，保证人体健康监测。

工程师们开发出防汗“电子皮肤”——贴合度高并嵌入了传感器的粘性贴片，即使佩戴者出汗，也能可靠地监测人体健康

上图中的人工汗腺管类似于人体皮肤的毛孔，研究人员在材料的超薄层中蚀刻形成。“毛孔”穿过贴片，图案类似于日本剪纸艺术kirigami。该设计确保汗水能够通过贴片渗出，防止皮肤被刺激以及嵌入的传感器被损坏。

kirigami设计使得贴片能够伸展和弯曲，更符合人类皮肤。这样的灵活性与材料的抗汗能力相匹配，足以长时间监控人体健康，这是过去的“电子皮肤”设计无法实现的。发表在Science Advances杂志上的研究结果是向经久耐用、追踪日常生命体征或皮肤癌和其它疾病进展“智能皮肤”迈出的一步。

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，就不会出现汗液积聚、错误信息、贴片脱落。这样的可穿戴传感器可以进行长期的不间断监控。”

论文合著者包括主要作者、麻省理工学院博士后Hanwool Yeon、麻省理工学院机械工程研究人员、麻省理工学院材料科学与工程研究人员、麻省理工学院电子研究实验室的研究人员，以及来自韩国爱茉莉太平洋集团(Amorepacific)和韩国其它机构的合作者。

Kim的团队专注于柔性半导体薄膜制造。研究人员开创了一种远程外延(remote epitaxy)技术，在晶圆上高温生长出超薄的高质量半导体薄膜，并选择性地剥去薄膜，然后将其组合并堆叠形成传感器，相比传统晶圆设计更薄、更灵活。

最近，他们的工作引起了韩国化妆品公司Amorepacific的注意，该公司有兴趣开发超薄的可穿戴贴片以持续监测皮肤变化。Amorepacific公司与Kim合作，制作出可以长期佩戴的柔性半导体薄膜。

但团队很快就遇到了其它电子皮肤设计尚未解决的大难题：汗水。大多数实验设计是将传感器嵌入到粘性聚合物材料中，这类材料透气性较差。还有些设计选择编织状纳米纤维，只有空气可透过，而汗水无法透过。Kim认为，电子皮肤的长期工作，需要较好的透气性和透汗性。

Kim说：“汗水会在电子皮肤和人体皮肤之间积聚，这可能让电子皮肤受损，并导致传感器故障。”因此，研究团队试图让汗水通过电子皮肤渗透来同时解决这两个问题。

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，汗毛孔平均孔径约100微米，随机分布在整个皮肤。他们进行了一些初步模拟以确定如何覆盖和安排人工毛孔，达到不阻止人类皮肤毛孔的目的。

“我们的简单想法是，如果我们在电子皮肤上设计人工汗腺管，并为汗液提供高渗透路径，我们可能会实现长期监控。”Yeon解释道。

从周期性排布模式开始，每个孔的尺寸与人类汗毛孔相当。研究人员发现，如果毛孔挨得很近，距离小于平均孔径，这种模式将有效地渗透汗水。但他们也发现，如果用这种简单排布模式将孔蚀刻在薄膜上，薄膜的延展性较差，用于皮肤时容易破损。

研究人员发现，通过在每个孔之间切割出细通道，可以增加强度和灵活性，这叫做“重复哑铃”(repeating dumbbells)模式。这种模式可以释放应力，确保应力不会集中在某一点。这种模式，当被蚀刻成材料，就创造出了可拉伸的kirigami立体剪纸艺术效果。

“如果你把一张纸包在球上，那是不符合要求的。但是，如果你用纸剪出kirigami图案，就符合要求了。因此，我们想，为什么不把孔与切口连接起来，让皮肤上具有kirigami式的符合性呢?同时还可以渗透汗水。”Kim分享到。

根据这一原理，研究小组利用多个功能层制作了一种电子皮肤，每层都刻有哑铃图案的毛孔。皮肤层包括超薄半导体图案的传感器阵列，以监测温度、水合作用、紫外线照射和机械应力。此传感器阵列位于两层很薄的保护膜之间，覆盖了聚合物粘合剂。

电子皮肤的结构示意图

“电子皮肤就像人的皮肤一样，可延展，非常柔软，汗水能够渗透。”Yeon说。

研究人员将电子皮肤贴在志愿者的手腕和额头进行测试。志愿者连续佩戴了一个多星期。在测试期间，电子皮肤可靠地测量了志愿者的温度、皮肤水合作用、紫外线照射和脉搏，期间志愿者还在跑步机上跑步30分钟，并进食辛辣饭菜。

团队的设计也考虑了如何贴合皮肤。当贴于志愿者额头时，志愿者被要求反复皱眉并大量出汗，相比其它电子皮肤缺乏汗水渗透性、容易脱离皮肤的设计，这款电子皮肤的贴合性非常棒。

Kim计划提高该设计的坚固度和耐用性。虽然贴片的透汗性较好，贴合度高，但由于其Kirigami图案需要与超薄贴片匹配，在摩擦时相当脆弱。因此，志愿者们在淋浴等活动时必须佩戴外壳加以保护。

“电子皮肤非常柔软，所以可能会受到物理损伤。”Yeon说，“我们的目标是提高电子皮肤的弹性。”该项研究得到了韩国Amorepacific公司的支持。