麻省理工學(xué)院的工程師和韓國(guó)的研究人員開發(fā)了一種防汗的“電子皮膚”--一種可適應(yīng)的、嵌入傳感器的粘性貼片，可以監(jiān)測(cè)人們的健康狀況，即使佩戴者在出汗時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)故障或脫落。
該貼片上有人工汗液通道，類似于人類皮膚上的毛孔，研究人員在材料的超薄層上蝕刻了這些管道。毛細(xì)孔在貼片上打孔，形成了類似于日本剪紙藝術(shù)的kirigami圖案。這種設(shè)計(jì)確保了汗水可以通過貼片排出，防止皮膚受到刺激和對(duì)嵌入式傳感器的損害。
kirigami設(shè)計(jì)還有助于貼片在拉伸和彎曲時(shí)與人體皮膚相適應(yīng)。這種靈活性，加上材料的耐汗能力，使它能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)一個(gè)人的健康狀況，這在以前的 "電子皮膚 "設(shè)計(jì)中是不可能的。這項(xiàng)成果于2021年6月30日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上，是向追蹤日常生命體征或皮膚癌和其他疾病進(jìn)展的長(zhǎng)效智能皮膚邁出的一步。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授Jeehwan Kim說：“有了這種符合要求的、可透氣的皮膚貼片，就不會(huì)有任何汗液積累、錯(cuò)誤信息或從皮膚上脫落。"我們可以提供可穿戴的傳感器，可以做持續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)?！?/p>
研究合著者包括主要作者和麻省理工學(xué)院博士后Hanwool Yeon，以及麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系、材料科學(xué)與工程系和電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員，還有來自化妝品集團(tuán)Amorepacific和韓國(guó)各地其他機(jī)構(gòu)的合作者。
Kim的小組專門從事柔性半導(dǎo)體薄膜的制造。研究人員開創(chuàng)了一種稱為遠(yuǎn)程外延的技術(shù)，即在高溫下在晶圓上生長(zhǎng)出超薄、高質(zhì)量的半導(dǎo)體薄膜，并有選擇地剝離這些薄膜，然后他們可以將其組合和堆疊，形成遠(yuǎn)比傳統(tǒng)晶圓設(shè)計(jì)更薄、更靈活的傳感器。
最近，他們的工作引起了化妝品公司Amorepacific的注意，該公司對(duì)開發(fā)薄型可穿戴膠帶以持續(xù)監(jiān)測(cè)皮膚的變化感興趣。該公司與Kim達(dá)成合作，將該小組的柔性半導(dǎo)體薄膜制作成可以長(zhǎng)期佩戴的東西。
但該團(tuán)隊(duì)很快就遇到了其他電子皮膚設(shè)計(jì)尚未清除的障礙：汗水。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)將傳感器嵌入到粘性的聚合物材料中，而這些材料的透氣性并不高。其他設(shè)計(jì)由納米纖維編織而成，可以讓空氣通過，但不能讓汗水通過。如果電子皮膚要長(zhǎng)期工作，Kim意識(shí)到它不僅要能滲透水汽，還要能滲透汗水。
“汗水會(huì)在電子皮膚和你的皮膚之間積累，這可能會(huì)導(dǎo)致皮膚損傷和傳感器故障，”Kim說?！耙虼?，我們?cè)噲D同時(shí)解決這兩個(gè)問題，讓汗水滲透到電子皮膚中?！?/p>
進(jìn)行切割
為了獲得設(shè)計(jì)靈感，研究人員研究了人類的汗毛孔。他們發(fā)現(xiàn)，平均毛孔的直徑約為100微米，而且毛孔是隨機(jī)地分布在整個(gè)皮膚上。他們進(jìn)行了一些初步的模擬，看看他們?nèi)绾委B加和安排人造毛孔，其方式不會(huì)阻止人類皮膚中的實(shí)際毛孔。
"我們的簡(jiǎn)單想法是，如果我們?cè)陔娮悠つw中提供人造汗腺導(dǎo)管，并為汗液制造高滲透性的路徑，我們就可能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的可監(jiān)測(cè)性，"Yeon解釋說。
他們從一個(gè)周期性的小孔圖案開始，每個(gè)小孔的大小與實(shí)際的汗孔差不多。他們發(fā)現(xiàn)，如果孔的間隔很近，距離小于平均孔的直徑，那么整個(gè)圖案將有效地滲透汗液。但他們也發(fā)現(xiàn)，如果將這種簡(jiǎn)單的孔洞圖案蝕刻在薄膜上，薄膜的可伸展性不強(qiáng)，在應(yīng)用于皮膚時(shí)很容易破裂。
研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過在每個(gè)孔之間切割薄的通道來增加孔圖案的強(qiáng)度和靈活性，創(chuàng)造一個(gè)重復(fù)的啞鈴圖案，而不是簡(jiǎn)單的孔，從而放松壓力，而不是將其集中在一個(gè)地方。這種模式，當(dāng)被蝕刻在一種材料上時(shí)，創(chuàng)造了一種可伸展的、類似kirigami的效果。
“如果你把一張紙包在一個(gè)球上，它是不符合要求的，”Kim說?！暗?，如果你在紙上切出一個(gè)kirigami圖案，它就可以順應(yīng)。所以我們想，為什么不把孔用切口連接起來，在皮膚上有類似kirigami的保形性？同時(shí)，我們可以滲透汗水。”
根據(jù)這一原理，該團(tuán)隊(duì)用多個(gè)功能層制作了一個(gè)電子皮膚，每個(gè)功能層都被他們刻上了啞鈴狀的孔洞。皮膚層包括一個(gè)超薄的半導(dǎo)體圖案的傳感器陣列，以監(jiān)測(cè)溫度、水化、紫外線照射和機(jī)械應(yīng)變。這個(gè)傳感器陣列被夾在兩層薄薄的保護(hù)膜之間，所有這些都覆蓋著一種粘性聚合物粘合劑。
Yeon說：“電子皮膚就像人的皮膚一樣--非常有彈性和柔軟，而且汗水可以通過它滲透出來?！?/p>
研究人員通過將電子皮膚粘在一名志愿者的手腕和額頭上進(jìn)行測(cè)試。志愿者在一周內(nèi)連續(xù)佩戴該膠帶。在這期間，新的電子皮膚可靠地測(cè)量了他的體溫、水化水平、紫外線照射和脈搏，即使是在誘發(fā)出汗的活動(dòng)中，如在跑步機(jī)上跑步30分鐘和食用辛辣食物。
該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)還符合皮膚，當(dāng)志愿者被要求在大汗淋漓的情況下反復(fù)皺眉時(shí)，它能粘在志愿者的額頭上，而其他電子皮膚的設(shè)計(jì)則缺乏汗液滲透性，很容易從皮膚上脫落。
Kim計(jì)劃改進(jìn)該設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和耐久性。雖然這種貼片既能透汗，又有很強(qiáng)的適應(yīng)性，這要?dú)w功于它的kirigami圖案，但正是這種圖案，加上貼片的超薄形式，使它對(duì)摩擦相當(dāng)脆弱。因此，志愿者不得不在膠帶周圍穿上一個(gè)套管，以便在淋浴等活動(dòng)中保護(hù)它。
"由于電子皮膚非常柔軟，它可以被物理損壞，"Yeon說。"我們的目標(biāo)是提高電子皮膚的復(fù)原力。
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