清華大學張瑩瑩Adv. Funct. Mater.：具有優異抗水干擾性能的高粘性表皮傳感器

張熙熙

一、 【導讀】

表皮傳感器在保持傳統剛性傳感器傳感性能的同時兼具柔軟性和可拉伸性，通過與皮膚建立舒適穩定的界面，可以連續監測人體的生物物理信號、生化信號和電生理信號。水環境在日常生活中不可避免，如游泳、淋浴、意外濺水等。在與水相關的場景中，表皮電子器件需要保持可靠和高質量的傳感性能，從而可以實時提供水上活動時的健康信息，及時預防水下抽筋等運動損傷可能導致的危險情況。與水相關的場景分為靜態水環境和動態水環境，如水沖擊。水的干擾給可穿戴設備帶來了新的挑戰，如傳感器故障和傳感器從表面脫落。與靜態水環境相比，動態水沖擊具有更大的破壞性。劇烈的水流可以很容易地滲透到設備-皮膚界面的縫隙中，導致接觸不良和傳感故障。因此，人們急需能夠在各種水環境中維持優異性能的表皮電子器件。

實現器件貼合皮膚的方式主要有兩種，一種是借助外部機械固定裝置將設備貼合在皮膚上，如膠帶和繃帶，這往往會導致佩戴不適和不便。另一種策略是使用內在黏附材料或仿生黏附結構，例如具有鄰苯二酚基團的貽貝黏附劑和受到章魚吸盤啟發創造的具有分層結構的黏附劑，但這些黏附劑可能會刺激皮膚或需要更精湛的制造工藝。此外，可穿戴設備在劇烈水沖擊下的粘附能力仍未得到探索。表皮電子器件-皮膚接觸面處的設計是實現優異傳感性能和抗水沖擊能力，實現在各種水生條件下的應用的基礎。

二、【成果掠影】

清華大學化學系張瑩瑩教授團隊受到海葵的啟發，開發了一種具有高靈敏度和良好抗水沖擊性能高粘性表皮電子器件，即使在劇烈的水沖擊下也能穩定地粘附在人體皮膚上，并獲得可靠的信號。該傳感器包括一個由包裹在硅橡膠（Ecoflex）薄層中的相互連接的石墨烯片組成的應變傳感層和基于半交聯聚二甲基硅氧烷（PDMS）的粘性層，將其命名為粘性的石墨烯封裝于Ecoflex基體的（a-G@E）傳感器。a-G@E傳感器厚度低至100 μm以下。基于超薄厚度和粘附層誘導的分子間相互作用的協同效應，a-G@E傳感器與皮膚具有高度適形和穩定的相互作用，即使在動態形變下也能保持對皮膚紋理的良好適應性。值得注意的是，它可以承受劇烈的水環境變化。同時，a-G@E傳感器可以作為一個高靈敏度的應變傳感器來檢測各種皮膚變形。為了驗證概念，作者展示了它在傳輸信息、控制機器人和跟蹤運動方面的水生應用，證明了它的可靠性和魯棒性。未來aG@E傳感器有助于健康管理、運動監測、沖浪、潛水和各種水生條件下的救援工作。

相關研究工作以“Highly Adhesive Epidermal Sensors with Superior Water-Interference-Resistance for Aquatic Applications”為題發表在國際頂級期刊Advanced Functional Materials上。

?三、【核心創新點】

1.本文研制了一種自粘表皮傳感器——Ecoflex封裝的粘合石墨烯(a-G@E)傳感器，該傳感器可以在超薄厚度和自粘層的協同作用下，穩定地附著在皮膚上，并且在各種水生環境中具有優異的抗水干擾能力。即使在極端的水生條件下，如強烈的水沖擊(4m s^-1)條件下，它也能保持高度穩定的設備-皮膚界面。

2.作者以實例說明了a-G@E傳感器在信息傳輸、水下機器人控制、魚類游動模式跟蹤等方面的應用。展望了a-G@E傳感器在醫療保健、運動監測和人機交互方面發揮的獨特作用，特別是在水生場景中。

?

?四、【數據概覽】

圖1 具有優異抗水干擾性能的a-G@E傳感器的設計、結構和特性。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖2 a-G@E傳感器在空氣和水場景下穩定的設備-皮膚接口。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖3 a-G@E應變傳感器的工作機理及性能。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖4 在正常環境和水生環境下身體的物理形變和監測脈沖。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖5 a-G@E傳感器在動態水生環境中的應用，實現可靠的運動監測。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

五、【成果啟示】

本文開發了一種受海葵啟發的自粘表皮傳感器a-G@E，該傳感器具有出色的抗水干擾性能，可以在各種水生環境中進行魯棒應變傳感。該仿生aG@E傳感器是由自組裝石墨烯薄膜制成的應變傳感層和由部分交聯PDMS組成的自粘層組成。作者研究了固化劑含量、固化劑厚度和水對膜的粘附能力的影響。優化后的a-G@E傳感器厚度僅為75 μm，可與皮膚表面形成高度保形和穩定的界面。值得注意的是，由于部分交聯聚合物鏈以及超薄的厚度誘導的良好的協同粘附能力，a-G@E傳感在速度高達4m s^-1的強烈水沖擊下，可以穩定地附著在人體皮膚上。同時，由于在空氣-水界面組裝的堆疊石墨烯片的獨特結構，a-G@E傳感器具有優異的應變傳感性能，包括高靈敏度、長期穩定性和快速響應能力。

作者通過實驗證明了aG@E傳感器在各種水生條件下具有出色的可靠性，穩定性和魯棒性。例如，在受擾動的水中可以清晰地監測指尖的脈沖信號，在皮膚上附著a-G@E傳感器可以在水下產生莫爾斯電碼信號，從而在水下或在水上活動期間實現健康監測和信息傳輸。此外，通過在魚的尾巴上安裝a-G@E傳感器，可以監測和識別游動魚的運動。此外，作者利用a-G@E傳感器實現了人手對機器人手的實時控制，可以在大水流沖擊下工作。基于其高性能和魯棒性，可以預見這種具有超強抗水沖擊性能的仿生表皮傳感器可以在健康監測、防護、運動檢測和人機界面等方面發揮重要作用，特別是在洗澡、游泳、沖浪、潛水或水上救援等與水有關的場景中，從而進一步擴展皮膚電子學的應用可能性。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302687