美韓科學(xué)家研發(fā)嵌入傳感器、貼合度高的粘性貼片“智能皮膚”

據(jù)麥姆斯咨詢報道，麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師和韓國研究人員共同開發(fā)出一種防汗的“電子皮膚”——嵌入了傳感器、貼合度高的粘性貼片。即使佩戴者大量出汗，也不會失效或脫落，保證人體健康監(jiān)測。

工程師們開發(fā)出防汗“電子皮膚”——貼合度高并嵌入了傳感器的粘性貼片，即使佩戴者出汗，也能可靠地監(jiān)測人體健康

上圖中的人工汗腺管類似于人體皮膚的毛孔，研究人員在材料的超薄層中蝕刻形成?！懊住贝┻^貼片，圖案類似于日本剪紙藝術(shù)kirigami。該設(shè)計確保汗水能夠通過貼片滲出，防止皮膚被刺激以及嵌入的傳感器被損壞。

kirigami設(shè)計使得貼片能夠伸展和彎曲，更符合人類皮膚。這樣的靈活性與材料的抗汗能力相匹配，足以長時間監(jiān)控人體健康，這是過去的“電子皮膚”設(shè)計無法實現(xiàn)的。發(fā)表在Science Advances雜志上的研究結(jié)果是向經(jīng)久耐用、追蹤日常生命體征或皮膚癌和其它疾病進(jìn)展“智能皮膚”邁出的一步。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Jeehwan Kim說：“有了這種舒適透氣的皮膚貼片，就不會出現(xiàn)汗液積聚、錯誤信息、貼片脫落。這樣的可穿戴傳感器可以進(jìn)行長期的不間斷監(jiān)控?！?/p>

論文合著者包括主要作者、麻省理工學(xué)院博士后Hanwool Yeon、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程研究人員、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程研究人員、麻省理工學(xué)院電子研究實驗室的研究人員，以及來自韓國愛茉莉太平洋集團(tuán)(Amorepacific)和韓國其它機(jī)構(gòu)的合作者。

Kim的團(tuán)隊專注于柔性半導(dǎo)體薄膜制造。研究人員開創(chuàng)了一種遠(yuǎn)程外延(remote epitaxy)技術(shù)，在晶圓上高溫生長出超薄的高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜，并選擇性地剝?nèi)ケ∧?，然后將其組合并堆疊形成傳感器，相比傳統(tǒng)晶圓設(shè)計更薄、更靈活。

最近，他們的工作引起了韓國化妝品公司Amorepacific的注意，該公司有興趣開發(fā)超薄的可穿戴貼片以持續(xù)監(jiān)測皮膚變化。Amorepacific公司與Kim合作，制作出可以長期佩戴的柔性半導(dǎo)體薄膜。

但團(tuán)隊很快就遇到了其它電子皮膚設(shè)計尚未解決的大難題：汗水。大多數(shù)實驗設(shè)計是將傳感器嵌入到粘性聚合物材料中，這類材料透氣性較差。還有些設(shè)計選擇編織狀納米纖維，只有空氣可透過，而汗水無法透過。Kim認(rèn)為，電子皮膚的長期工作，需要較好的透氣性和透汗性。

Kim說：“汗水會在電子皮膚和人體皮膚之間積聚，這可能讓電子皮膚受損，并導(dǎo)致傳感器故障?！币虼?，研究團(tuán)隊試圖讓汗水通過電子皮膚滲透來同時解決這兩個問題。

為了獲得設(shè)計靈感，研究人員研究了人類的汗毛孔。他們發(fā)現(xiàn)，汗毛孔平均孔徑約100微米，隨機(jī)分布在整個皮膚。他們進(jìn)行了一些初步模擬以確定如何覆蓋和安排人工毛孔，達(dá)到不阻止人類皮膚毛孔的目的。

“我們的簡單想法是，如果我們在電子皮膚上設(shè)計人工汗腺管，并為汗液提供高滲透路徑，我們可能會實現(xiàn)長期監(jiān)控?！盰eon解釋道。

從周期性排布模式開始，每個孔的尺寸與人類汗毛孔相當(dāng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，如果毛孔挨得很近，距離小于平均孔徑，這種模式將有效地滲透汗水。但他們也發(fā)現(xiàn)，如果用這種簡單排布模式將孔蝕刻在薄膜上，薄膜的延展性較差，用于皮膚時容易破損。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在每個孔之間切割出細(xì)通道，可以增加強(qiáng)度和靈活性，這叫做“重復(fù)啞鈴”(repeating dumbbells)模式。這種模式可以釋放應(yīng)力，確保應(yīng)力不會集中在某一點(diǎn)。這種模式，當(dāng)被蝕刻成材料，就創(chuàng)造出了可拉伸的kirigami立體剪紙藝術(shù)效果。

“如果你把一張紙包在球上，那是不符合要求的。但是，如果你用紙剪出kirigami圖案，就符合要求了。因此，我們想，為什么不把孔與切口連接起來，讓皮膚上具有kirigami式的符合性呢?同時還可以滲透汗水?！盞im分享到。

根據(jù)這一原理，研究小組利用多個功能層制作了一種電子皮膚，每層都刻有啞鈴圖案的毛孔。皮膚層包括超薄半導(dǎo)體圖案的傳感器陣列，以監(jiān)測溫度、水合作用、紫外線照射和機(jī)械應(yīng)力。此傳感器陣列位于兩層很薄的保護(hù)膜之間，覆蓋了聚合物粘合劑。

電子皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖

“電子皮膚就像人的皮膚一樣，可延展，非常柔軟，汗水能夠滲透?！盰eon說。

研究人員將電子皮膚貼在志愿者的手腕和額頭進(jìn)行測試。志愿者連續(xù)佩戴了一個多星期。在測試期間，電子皮膚可靠地測量了志愿者的溫度、皮膚水合作用、紫外線照射和脈搏，期間志愿者還在跑步機(jī)上跑步30分鐘，并進(jìn)食辛辣飯菜。

團(tuán)隊的設(shè)計也考慮了如何貼合皮膚。當(dāng)貼于志愿者額頭時，志愿者被要求反復(fù)皺眉并大量出汗，相比其它電子皮膚缺乏汗水滲透性、容易脫離皮膚的設(shè)計，這款電子皮膚的貼合性非常棒。

Kim計劃提高該設(shè)計的堅固度和耐用性。雖然貼片的透汗性較好，貼合度高，但由于其Kirigami圖案需要與超薄貼片匹配，在摩擦?xí)r相當(dāng)脆弱。因此，志愿者們在淋浴等活動時必須佩戴外殼加以保護(hù)。

“電子皮膚非常柔軟，所以可能會受到物理損傷?！盰eon說，“我們的目標(biāo)是提高電子皮膚的彈性?！痹擁椦芯康玫搅隧n國Amorepacific公司的支持。