清华大学张莹莹Adv. Funct. Mater.：具有优异抗水干扰性能的高粘性表皮传感器

张熙熙

一、 【导读】

表皮传感器在保持传统刚性传感器传感性能的同时兼具柔软性和可拉伸性，通过与皮肤建立舒适稳定的界面，可以连续监测人体的生物物理信号、生化信号和电生理信号。水环境在日常生活中不可避免，如游泳、淋浴、意外溅水等。在与水相关的场景中，表皮电子器件需要保持可靠和高质量的传感性能，从而可以实时提供水上活动时的健康信息，及时预防水下抽筋等运动损伤可能导致的危险情况。与水相关的场景分为静态水环境和动态水环境，如水冲击。水的干扰给可穿戴设备带来了新的挑战，如传感器故障和传感器从表面脱落。与静态水环境相比，动态水冲击具有更大的破坏性。剧烈的水流可以很容易地渗透到设备-皮肤界面的缝隙中，导致接触不良和传感故障。因此，人们急需能够在各种水环境中维持优异性能的表皮电子器件。

实现器件贴合皮肤的方式主要有两种，一种是借助外部机械固定装置将设备贴合在皮肤上，如胶带和绷带，这往往会导致佩戴不适和不便。另一种策略是使用内在黏附材料或仿生黏附结构，例如具有邻苯二酚基团的贻贝黏附剂和受到章鱼吸盘启发创造的具有分层结构的黏附剂，但这些黏附剂可能会刺激皮肤或需要更精湛的制造工艺。此外，可穿戴设备在剧烈水冲击下的粘附能力仍未得到探索。表皮电子器件-皮肤接触面处的设计是实现优异传感性能和抗水冲击能力，实现在各种水生条件下的应用的基础。

二、【成果掠影】

清华大学化学系张莹莹教授团队受到海葵的启发，开发了一种具有高灵敏度和良好抗水冲击性能高粘性表皮电子器件，即使在剧烈的水冲击下也能稳定地粘附在人体皮肤上，并获得可靠的信号。该传感器包括一个由包裹在硅橡胶（Ecoflex）薄层中的相互连接的石墨烯片组成的应变传感层和基于半交联聚二甲基硅氧烷（PDMS）的粘性层，将其命名为粘性的石墨烯封装于Ecoflex基体的（a-G@E）传感器。a-G@E传感器厚度低至100 μm以下。基于超薄厚度和粘附层诱导的分子间相互作用的协同效应，a-G@E传感器与皮肤具有高度适形和稳定的相互作用，即使在动态形变下也能保持对皮肤纹理的良好适应性。值得注意的是，它可以承受剧烈的水环境变化。同时，a-G@E传感器可以作为一个高灵敏度的应变传感器来检测各种皮肤变形。为了验证概念，作者展示了它在传输信息、控制机器人和跟踪运动方面的水生应用，证明了它的可靠性和鲁棒性。未来aG@E传感器有助于健康管理、运动监测、冲浪、潜水和各种水生条件下的救援工作。

相关研究工作以“Highly Adhesive Epidermal Sensors with Superior Water-Interference-Resistance for Aquatic Applications”为题发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上。

三、【核心创新点】

1.本文研制了一种自粘表皮传感器——Ecoflex封装的粘合石墨烯(a-G@E)传感器，该传感器可以在超薄厚度和自粘层的协同作用下，稳定地附着在皮肤上，并且在各种水生环境中具有优异的抗水干扰能力。即使在极端的水生条件下，如强烈的水冲击(4m s^-1)条件下，它也能保持高度稳定的设备-皮肤界面。

2.作者以实例说明了a-G@E传感器在信息传输、水下机器人控制、鱼类游动模式跟踪等方面的应用。展望了a-G@E传感器在医疗保健、运动监测和人机交互方面发挥的独特作用，特别是在水生场景中。

四、【数据概览】

图1 具有优异抗水干扰性能的a-G@E传感器的设计、结构和特性。©2023 John Wiley & Sons, Inc.

图2a-G@E传感器在空气和水场景下稳定的设备-皮肤接口。©2023 John Wiley & Sons, Inc.

图3 a-G@E应变传感器的工作机理及性能。©2023 John Wiley & Sons, Inc.

图4 在正常环境和水生环境下身体的物理形变和监测脉冲。©2023 John Wiley & Sons, Inc.

图5 a-G@E传感器在动态水生环境中的应用，实现可靠的运动监测。©2023 John Wiley & Sons, Inc.

五、【成果启示】

本文开发了一种受海葵启发的自粘表皮传感器a-G@E，该传感器具有出色的抗水干扰性能，可以在各种水生环境中进行鲁棒应变传感。该仿生aG@E传感器是由自组装石墨烯薄膜制成的应变传感层和由部分交联PDMS组成的自粘层组成。作者研究了固化剂含量、固化剂厚度和水对膜的粘附能力的影响。优化后的a-G@E传感器厚度仅为75 μm，可与皮肤表面形成高度保形和稳定的界面。值得注意的是，由于部分交联聚合物链以及超薄的厚度诱导的良好的协同粘附能力，a-G@E传感在速度高达4m s^-1的强烈水冲击下，可以稳定地附着在人体皮肤上。同时，由于在空气-水界面组装的堆叠石墨烯片的独特结构，a-G@E传感器具有优异的应变传感性能，包括高灵敏度、长期稳定性和快速响应能力。

作者通过实验证明了aG@E传感器在各种水生条件下具有出色的可靠性，稳定性和鲁棒性。例如，在受扰动的水中可以清晰地监测指尖的脉冲信号，在皮肤上附着a-G@E传感器可以在水下产生莫尔斯电码信号，从而在水下或在水上活动期间实现健康监测和信息传输。此外，通过在鱼的尾巴上安装a-G@E传感器，可以监测和识别游动鱼的运动。此外，作者利用a-G@E传感器实现了人手对机器人手的实时控制，可以在大水流冲击下工作。基于其高性能和鲁棒性，可以预见这种具有超强抗水冲击性能的仿生表皮传感器可以在健康监测、防护、运动检测和人机界面等方面发挥重要作用，特别是在洗澡、游泳、冲浪、潜水或水上救援等与水有关的场景中，从而进一步扩展皮肤电子学的应用可能性。

原文详情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302687