■本报记者 沈春蕾
近年来，柔性电子器件在健康监测、个性化医疗等领域备受关注。但研究收集的用户体验反馈显示，柔性电子器件制备的可穿戴电子设备的透气性仍不尽如人意，汗液积聚在器件和皮肤之间，不仅给使用者带来不舒服的体验，而且影响电子器件监测生理信号的能力。
香港城市大学副教授于欣格带领团队通过三维定向汗液输运技术，开发了透气、透汗和高集成度的柔性电子器件，可以实现7天连续舒适佩戴以及生理信号稳定监测，为长期、舒适的可穿戴电子设备提供了设计思路。3月28日，相关研究成果发表于《自然》。
高性能和透气性相悖
相关研究指出，将电子器件嵌入轻薄的柔性材料中，可以制备出类似人类皮肤且具有感知功能的柔性电子皮肤。
于欣格向《中国科学报》介绍了柔性电子皮肤的主要用途：“通过柔性电子皮肤，我们可以收集生理信号的变化，并对收集到的生理信号进行采样处理，及时分析佩戴者的健康状况以及潜在的疾病发作风险，进而通过信息反馈及时告知用户。”
已有的研究揭示，相较于传感器件，柔性信息反馈技术依赖的执行器件在尺寸、重量、功耗上均较大，研发轻便、低功耗的基于柔性电子和人体的感知与交互技术，在智慧医疗、人机交互、虚拟现实和人工智能等领域具有广阔的应用前景。由此，于欣格带领团队开展了深入研究。
“我们发现，柔性电子皮肤的力学、电学等高性能与其透气性不能兼得，甚至是相悖的。”于欣格告诉记者，柔性电子皮肤较差的透气性导致汗液挥发不了，不仅造成佩戴者生理不适，而且严重时会引起皮肤发炎，还会降低电子器件的信号质量以及黏附强度，限制了可穿戴电子设备的生理信号监测能力。
定向输运汗液技术
此前有报道称，柔性电子器件可以通过构建纳米或微米尺度孔洞结构，为皮肤提供透气、透汗通道。
于欣格团队曾尝试在这个方向开展相关研究，但发现由于单一的结构设计，构建的纳米或微米尺度孔洞结构只能实现电极层面的透气性。“可穿戴电子设备包括功能更加复杂的传感器、电路、封装等结构。要实现高集成度、多功能的透气电子皮肤，我们在流体操控和系统集成等方面仍面临巨大挑战。”他说。
在《自然》这篇论文中，于欣格团队提出了一种全新的研究思路。
受猪笼草、仙人掌、蜘蛛丝等自然界生物启发，研究人员利用这些生物特殊表面上液体自发输运的机制，设计了一种在三维尺度上对液体进行自发、定向输运的结构——三维液体二极管。
于欣格介绍，在三维液体二极管的引导下，液体传输速率超过人体正常排汗速率的4000倍。基于此，研究人员开发出一种透气、透汗基底，并将其与高性能柔性电路直接集成，制备出兼具高透气性与高集成度的可穿戴电子设备—— 一种透气、透汗的心电监测贴片。
相关用户体验实验显示，相比同类产品，这款心电监测贴片在用户舒适性、长期生物相容性、出汗状态下的黏附性和信号质量方面有更出色的表现，在佩戴者日常活动和运动状态下可以实现长达7天的连续心电监测。
于欣格透露，他们还将该技术应用于织物集成电子中，设计了一种无须电池、舒适佩戴的多功能无线环境监测衣物。
柔性电子未来可期
随着科技的发展以及人们对健康的关注，可穿戴电子设备的使用越来越广泛。精准和舒适，既是佩戴者对可穿戴电子设备的要求，也是于欣格等研究人员努力的方向。
“我们希望开发出更多柔性电子器件或者其他辅助性设备，使其不仅便携、佩戴舒适，还可实时、精准监控健康状态。”于欣格告诉《中国科学报》，柔性电子器件的优势是轻薄化、小型化和可穿戴化，让佩戴者没有负担和压力。
于欣格曾带领团队开发出一款皮肤虚拟现实（VR）系统。该系统可被看作是一块酷似人类皮肤、可伸展的布料，厚度只有3毫米，可以直接贴在皮肤上，也可以轻易地取下来。
此次，基于前期的技术积累，于欣格团队提出了一种用于构建柔性、集成透气电子皮肤的普适性策略。
“我们期待能实现透气电子皮肤从概念到实际应用的发展，在改善柔性电子皮肤用户体验的同时，进一步激发其在临床监护以及长期健康监测领域的应用潜力。”于欣格说。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1
《中国科学报》 (2024-03-28 第1版 要闻)
