Nature：“会呼吸”超舒适的可穿戴设备，基于三维液体二极管- 大数跨境

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2024-04-08

导读：香港城市大学于欣格课题组在Nature 杂志上发表论文，报道了一种策略构建基于三维液态二极管（3D LD）结构的可穿戴电子产品，具有极佳的透气性、透湿性和佩戴舒适度。

“可穿戴技术”的鼻祖，可追溯到500年前发明的手表。在过去的几个世纪里，通过材料的发展、设备的进步以及各种功能的融合，可穿戴技术得以不断提升和完善。这类电子产品的佩戴舒适度主要取决于人体的生理舒适度，例如出汗情况、可弯曲以及可拉伸能力。在休息状态下，人体会不知不觉地出汗以调节体温，皮肤表面汗液的平均蒸发率为23～28 g•m⁻²•h⁻¹；运动时，人体每小时更需要排出1.5～2.5升汗液，以维持适宜的体内温度 ^[1]。

可穿戴技术的历史发展。图片来源：ACS Nano ^[1]

然而，目前可穿戴器件中刚性的电子元件、渗透率低的包装材料等因素，都会影响器件的透气性，使得汗水不能快速、充分地从皮肤排出。想一想夏天室外带着智能手表跑步的感觉，不仅会让佩戴者不舒服，还会降低器件获得的信号质量，从而影响长期健康状况监测时的信号检测精度。于是，有研究者提出“会呼吸电子器件”的概念，要求可穿戴设备的渗透性至少应超过人体的无感排汗率，同时兼顾生理舒适性和生物相容性的需求。

团队开发的柔性透气透汗可穿戴设备。图片来源：香港城市大学 ^[2]

近日，香港城市大学于欣格课题组在Nature 杂志上发表论文，报道了一种策略构建基于三维液态二极管（3D LD）结构的可穿戴电子产品，具有极佳的透气性、透湿性和佩戴舒适度。该设备仿佛具有“二极管”单向导通的性质，垂直层负责单向吸收汗液并防止回流，水平层则负责定向传输汗液，最大排汗速率比人体运动时的出汗速率高出4000倍。该结构能够直接与可穿戴电子产品集成，具有强大的粘附力，保证器件用于生物信号监测时能够稳定工作，不受体表出汗的影响。

基于“三维液体二极管”概念的可穿戴电子产品。图片来源：Nature

三维液态二极管（3D LD）的设计思路并不复杂。首先，研究者采用聚酰亚胺（PI）支撑蛇形互连的Au/Ti作为电极材料，这种设计不仅可以在形变时保持与皮肤的接触，以保证低阻抗和稳定的电导率，同时还具有出色的透气性。

透气电极和垂直层（VLD）的结构和性能。图片来源：Nature

垂直层（VLD）基于疏水织物，兼具柔性和多孔结构的特点，保证了汗液传输能力和透气性。在此基础上，采用聚对苯二甲酸乙二酯（PET）作为背胶保护层，表层的PI胶带通过表面修饰和激光打孔处理，形成了有效的亲水性梯度通道，可以迅速将皮肤表面的汗液“泵送”上去。VLD的汗液传输速率最高可达11.6 mL•cm⁻²•min⁻¹，比人类运动期间的出汗速率（0.38~2.85×10⁻³ mL•cm⁻²•min⁻¹）高出三个数量级。

垂直层（VLD）示意图。图片来源：Nature

水平层（HLD）包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）微柱，其上涂覆一层超亲水材料——聚乙烯醇（PVA）和SiO₂纳米粒子复合物，允许汗液在通道内流动，达到位于边缘的汗液收集器，并最终蒸发到周围环境或从出口滴落。利用硅胶将垂直层、水平层以及汗液收集器粘在一起，就得到了3D LD结构。实验表明，3D LD与人工皮肤贴合性良好，具有优异的生物相容性，允许气体和汗液在内部通道内无阻碍地传输。

水平层（HLD）和3D LD的结构和性能。图片来源：Nature

随后，研究者将商业心电图（ECG）贴片与3D LD集成，进行可穿戴测试。组装方式非常简单，只需将贴片粘贴在3D LD表面即可。测试30分钟，商业ECG和PDMS贴片均从测试者皮肤上脱落，而3D LD贴片则紧密贴合在测试者身体上，即使连续佩戴3天，皮肤也没有红斑现象。

ECG贴片与3D LD集成，测试心电图数据。图片来源：Nature

而且，3D LD贴片几乎不受运动和汗液积累的影响，跑步10分钟后，商业ECG和PDMS贴片的信号变得不稳定，信噪比明显降低。随着汗液在电极和皮肤界面积累，越来越难以分辨。相比之下，3D LD贴片由于极佳的渗透性，可在出汗前后稳定地输出ECG信号。

穿戴舒适性和设备性能评估。图片来源：Nature

3D LD贴片监测不受运动影响。图片来源：Nature

此外，3D LD结构具有可扩展性，可与更多复杂电路进行集成，例如，将ECG监测器和无线传输装置同时负载在3D LD上，就可以在手机上读取心电图信号，再加入温度、湿度和气压传感器，还可以实时监测环境参数。

3D LD结构的可扩展性集成。图片来源：Nature

“3D LD并不需要独特的材料，而是采用一种被我们称作‘液体二极管’的传输层”，于欣格教授说，“我们的研究为柔软、透气的可穿戴设备提供了一种可行的策略，通过在三维空间上操纵液体，该结构能够与可穿戴设备完美集成” ^[2]。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics

Binbin Zhang, Jiyu Li, Jingkun Zhou, Lung Chow, Guangyao Zhao, Ya Huang, Zhiqiang Ma, Qiang Zhang, Yawen Yang, Chun Ki Yiu, Jian Li, Fengjun Chun, Xingcan Huang, Yuyu Gao, Pengcheng Wu, Shengxin Jia, Hu Li, Dengfeng Li, Yiming Liu, Kuanming Yao, Rui Shi, Zhenlin Chen, Bee Luan Khoo, Weiqing Yang, Feng Wang, Zijian Zheng, Zuankai Wang & Xinge Yu

Nature, 2024, DOI: 10.1038/s41586-024-07161-1

参考文献：

[1] Q. Huang & Z. Zheng, Pathway to Developing Permeable Electronics. ACS Nano 2022, 16, 15537–15544. DOI: 10.1021/acsnano.2c08091

[2] Super permeable wearable electronics for stable, long-term biosignal monitoring.

https://www.cityu.edu.hk/media/news/2024/03/28/super-permeable-wearable-electronics-stable-long-term-biosignal-monitoring

（本文由小希供稿）

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