电子皮肤-基于自组装电纺微金字塔阵列的高性能无感型贴合皮肤器件
贴合皮肤器件在医疗保健、行为监测、个人防护、自供电电子和人机互动等方面显示出巨大的应用潜力。随着这些领域的发展，贴合皮肤器件被进一步要求实现舒适的长期使用，并减少感觉干扰与触觉损失。为了实现贴合皮肤器件的无感性，研究人员利用静电纺丝技术制备超薄、超轻、透气的功能膜，最大限度地减少器件粘贴对皮肤造成的触觉干扰与使用不适感。然而，受限于静电纺丝的随机沉积方式，目前的无感式功能膜表面平坦，具有较差的光、热、力、电性能，导致器件性能较差，限制了其在健康监测、动作传感、能量收集、体表降温等诸多领域的应用。因此，开发新型微结构材料，提高无感型器件的性能表现成为相关领域科学家所面临的重大挑战。
南京大学的潘力佳教授和施毅教授领导的团队开发出一种自组装电纺微金字塔阵列（EMPA）膜，该膜具有超薄、超轻、透气的结构及良好的光、热、力、电性能，赋予无感型贴合皮肤器件在日间辐射制冷、压力传感和生物能收集等领域优良的性能表现（图1）。在一个标准太阳光强度（1 kW m–2）下，EMPA织物可以将皮肤周围的温度降低约4 ℃。EMPA压容-摩擦电混合传感器的灵敏度可以达到19 kPa–1、检出限低至0.05 Pa、响应时间快至0.8 ms。EMPA生物机械能收集器的能量转化效率达到42%（图2）。得益于上述性能优势，EMPA器件适用于对电竞运动员、货车司机等特殊工种进行长期的健康、情绪及压力监测，自供电动作监测及个人热辐射防护而不影响相关工作人员的正常操作。此外该团队和河海大学的李政通博士与山西省人民医院的许娟教授合作验证了该器件的生物相容性、无感性与日间辐射制冷效果。
图2：EMPA的生长过程以及结构和材料可设计性：SEM图。
图3：基于EMPA的皮肤设备的不易察觉评估。a 基于微锥体阵列的柔性器件在厚度方面的比较研究图。b 对三种不同类型的传统表皮薄膜材料和基于EMPA的表皮设备进行水蒸气透过测试。c 基于EMPA的双层皮肤设备示意图。插图显示了皮肤上静电纺PVA纳米纤维胶的SEM图像。d 受试者报告了在指尖上连接两种类型的设备时的任何感觉，这是根据VAS（0-10）进行的评估。叉线表示均值，误差线是均值的标准误差。绿色和粉红色盒子中的插图显示指尖皮肤被不同的皮肤设备覆盖七小时后。e 照片显示了用食指连接的不同装置测量的握力。f 参与者同时具有和没有连接到手指的不同设备的夹持力和加载力。黄色阴影区域显示测量夹持力以进行分析的时间。g 握力随所有参与者的负载力缩放。h 摩擦调整的额外夹持力随所有参与者的负载力缩放。误差线是标准偏差。i 在不同条件下，所有参与者的额外夹持力与负载力之比。
图4：EMPA的光学性质和在高效日间辐射冷却中的应用。
作者开发具有卓越性能和无感性的下一代贴合皮肤器件提供了一种通用且可升级的策略，满足了贴合皮肤器件在诸多场景中严苛的应用需求。基于EMPA的辐射冷却织物（薄至47μm）具有高可见近红外反射率（97.9%）和MIR发射率（76.3%），在1 kW m-2的太阳强度下将温度降低约4°C，并提供长期舒适性。此外，EMPA压电-摩擦电混合传感器的高灵敏度（19 kPa−1）、超低检测限（0.05 Pa）和超快响应（≤0.8 ms），能够在监测自然手指操作期间对超弱指尖脉冲进行急性检测，从而同时分析健康状况和操作细节。此外，EMPA纳米发电机的增强摩擦电和压电输出（105.1 μC m−2）有助于可靠的生物力学能量收集。
南京大学电子科学与工程学院博士生张嘉汉为第一作者，潘力佳教授和施毅教授为论文的共同通讯作者，南京大学化学化工学院的张秋红副教授、贾叙东教授及内蒙古科技大学的杜金花教授为本工作的相关测试和分析提供了帮助与支持。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省高等学校重点学科建设基金、南京市科技人才计划、江苏省高等学校重点学科建设基金、江苏省研究生科研与实践创新计划等项目的资助。
【参考文献】
https://doi.org/10.1038/s41467-022-33454-y
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