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研究背景

隨著可穿戴電子技術的不斷發展和普及，科學家對于能夠在日常活動中持續監測生理信號的需求日益增加。這種技術的廣泛應用可以實現早期疾病預測、自主診斷、個性化治療以及慢性病管理等目標。然而，盡管在機械和電學特性方面取得了顯著進展，但當前可穿戴電子設備在實際應用中仍面臨一些挑戰。其中一個主要問題是電子材料和設備的透氣性不佳，導致在使用一定時間后，汗液在皮膚與設備之間積聚，影響了用戶的舒適度和信號采集質量。

為了解決這一問題，科學家們開始探索制造具有良好透氣性的可穿戴電子設備。然而，現有的透氣電子設備大多僅包含簡單的功能組件，如電極、傳感器等，而不具備高度集成和多功能性，無法滿足實際應用的需求。

成果簡介

有鑒于此，香港城市大學于欣格教授團隊等人于Nature期刊發表題為A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics的最新研究成果。本研究提出了一種基于三維液體二極管（3D LD）的集成透氣可穿戴電子的方法。與現有設計不同，這項研究利用水平液體二極管（HLD）和垂直液體二極管（VLD）結合的方式，構建了一種具有良好透氣性的電子設備平臺。通過這種結構，研究人員成功地實現了高性能可穿戴電子的直接集成，并且能夠有效地排出汗液，不影響汗液的自然排出過程。

圖文導讀

圖1展示了透氣電子相比傳統柔性電子的優勢以及透氣電子的結構和性能。在圖1a中，左側展示了傳統柔性電子，右側展示了透氣電子。透氣設計使得電子設備具有增強的透氣性和汗液排出功能，從而提高了信號穩定性、附著強度和佩戴舒適度。在圖1b中，展示了集成系統級透氣電子的示意圖，包括透氣電極、3D?LD和柔性電路板。通過3D?LD，汗液可以通過電極、VLD和HLD的單向傳輸，實現汗液的持續傳輸，同時防止回流。

在圖1c中，顯示了運動前后由商業電極和透氣電極記錄的心電圖信號。結果顯示，透氣電極具有更好的信號穩定性。在圖1d中，顯示了運動前后電極-皮膚界面附著強度評估結果。透氣電極具有更高的附著強度，表明其在運動條件下具有更好的穩定性。在圖1e中，展示了不同電極佩戴3天后的皮膚刺激評估結果。透氣電極對皮膚的刺激更小，表明其具有更好的佩戴舒適性。在圖1f中，顯示了透氣皮膚集成和基于紡織品的電子設備，進一步展示了透氣電子在增強舒適度和長期監測方面的應用潛力。綜上所述，圖1展示了基于3D?LD概念的集成透氣可穿戴電子系統的設計原理和性能優勢，為實現更舒適、穩定的可穿戴電子設備提供了重要參考。

圖1. 基于3D?LD概念的集成系統級透汗可穿戴電子產品

為了展示透氣電極和VLD的特性，研究者在圖2首先展示了3D?LD的橫截面表示，說明了單向汗液傳輸的機制。透氣電極的設計利于在汗液孔上方形成開放通道，維持與指尖的穩定緊密接觸，而汗液在開放通道內的滲透表現出汗液瓦解的特征。VLD則展示了單向汗液傳輸的機制，通過單個通道進行反重力汗液傳輸。在VLD的設計中，研究者通過調整處理條件，實現了高汗液傳輸速率和小的親水區域，以最大程度地提高排汗效率。此外，對VLD的透氣性和穩定性進行了評估，結果顯示VLD具有良好的透氣性和穩定性。

圖2. 滲透性電極和 VLD 的特性

HLD和3D?LD的特征化揭示了這些關鍵組件在汗液排放系統中的作用。首先，HLD通過精心設計的梯度親水微柱實現了單向排汗的能力，同時采用交叉形支撐結構保護微柱免受損壞，并通過有限元分析驗證了其機械穩定性。實驗結果顯示，在優化參數下，HLD具有良好的汗液傳輸性能，可在不同的變形條件下維持穩定的傳輸。其次，針對PDMS的固有疏水性，研究人員采用PVA/SiO2復合涂層對其進行超親水處理，實現了長期的耐久性超親水性。超親水涂層的PDMS表現出了良好的汗液傳輸率，尤其在汗液潤濕表面后，傳輸率顯著增加。此外，微柱高度和直徑被認為是影響傳輸率的關鍵因素，經過參數優化后，HLD展現出了穩定的傳輸能力和良好的結構穩定性。

對于3D?LD的特征化，研究人員通過插入環形PET織物實現了與VLD和HLD的集成，形成了汗液排放系統的整體結構。有限元分析模擬進一步證實了3D?LD在汗液傳輸方面的高效性。實驗結果顯示，與PDMS基底相比，3D?LD表現出更優異的透氣性和汗液滲透性，維持了與人工皮膚的完全貼合。此外，細胞毒性評估結果表明，3D?LD具有良好的生物相容性，可安全用于皮膚接觸應用。

圖3. HLD 和 3D?LD 的特性

圖4展示了對汗液管理對穿戴舒適性和設備性能的評估。首先，為了了解不同貼片在運動時的附著力，研究者進行了附著力測試。商用ECG電極、PDMS薄膜、VLD和3D LD等四種貼片被粘貼在測試對象的皮膚上，經過30分鐘的測試后觀察到商用ECG和PDMS貼片脫落，而VLD和3D LD保持牢固粘附（見圖a）。進一步的測試發現，貼片的附著強度與透氣性和柔軟性呈正相關（見圖b）。

接著，研究者進行了長時間佩戴測試，將不同貼片貼在受試者的前臂上進行了連續3天的使用。結果顯示，佩戴VLD和3D LD貼片的皮膚沒有發生明顯的刺激或炎癥，而商用ECG和PDMS貼片導致皮膚發生明顯的紅斑（見圖c）。此外，VLD和3D LD的優異透氣性使得它們在12小時的佩戴期間獲得了最長的佩戴時間，表現出卓越的佩戴舒適性能力（見圖d和e）。

最后，研究者評估了汗液積累對生物信號采集的影響，使用了三種類型的電極進行測試。結果顯示，在運動后商用ECG和基于PDMS的電極的信噪比明顯降低，而3D LD電極在運動前后都能提供穩定的皮膚-電極阻抗和ECG信號（見圖h和i）。

圖4. 水分管理對穿著舒適度和設備性能的評估

圖5中展示了3D LD技術在兩種可穿戴電子設備中的應用：一種是薄而柔軟的心電監測系統，另一種是紡織品集成的天氣站。心電監測系統采用可拆卸設計，由兩個關鍵部分組成：蒸汽/汗液釋放基底和柔軟的電路層。基底厚度為0.65mm，重量為1.05g，具有良好的彎曲剛度和彈性模量。電路層厚度為2.1mm，包括電池在內的重量為1.55g。通過垂直互連通道，皮膚電極與電子連接器相連，確保了在各種變形條件下的穩定功能。將設備固定在受試者的胸部，通過無線傳輸將心電數據發送到智能手機。與傳統的有線連接型設備相比，該設備表現出更佳的心電讀數，且具有更好的穿戴舒適性和運動穩定性。另一方面，紡織品集成的天氣站是一種無電池、柔軟、透氣、多功能和無線的設備，能夠監測溫度、濕度、紫外線指數、大氣壓力和海拔高度。通過近場通信技術，可以將天氣數據傳輸到移動設備上。這些集成系統級的透氣可穿戴電子設備展示了3D LD技術的通用性和可擴展性，為可穿戴電子技術的發展提供了新的可能性。

這些創新的應用為用戶提供了更加舒適和便捷的可穿戴電子產品選擇，同時保持了高水平的功能性和性能穩定性。通過3D LD技術，這些設備實現了良好的濕透性和透氣性，可以有效釋放汗液蒸汽，從而減少了對皮膚的不適感和潮濕感。同時，設備的柔軟性和可伸縮性確保了與人體的良好貼合度，使得用戶可以在日常活動和運動中自如地使用這些設備。此外，這些設備還具有較低的重量和較小的體積，不會給用戶帶來額外的負擔或不便。通過實時監測心電數據和環境參數，這些設備還可以幫助用戶更好地了解自身的健康狀況和周圍環境的變化，為健康管理和戶外活動提供了有力的支持。

圖5. 透氣、透汗的皮膚集成和紡織電子產品

結論與展望

本文展示了一種創新的3D LD技術，通過整合系統級濕透性，實現了超越人體排汗速率三個數量級的性能，從而為醫療監測可穿戴設備提供了新的解決方案。這項技術的科學啟迪在于其突破了傳統醫療監測設備在濕潤環境下的局限性，為人體皮膚和電子設備之間的穩定交互提供了創新的解決方案。通過綜合的用戶研究，科學家們展示了3D LD技術在維持舒適的皮膚-設備界面方面的卓越性能，以及其在減少運動偽影和提供可靠信號方面的優勢。

這項技術的成功應用為未來開發更加智能、連續和可穿戴的醫療監測設備提供了重要的啟示，激發了對于可穿戴技術的進一步創新和改進。此外，通過不斷優化功能材料、設備結構和制造技術，以及引入可清洗和可恢復的背膠，將有助于提高設備的性能和可持續性，從而推動這一領域的發展。這項研究對于醫療監測設備的未來發展具有重要的科學啟示，有望為實現更加智能、舒適和可靠的醫療監測提供關鍵的技術支持。

作者簡介

于欣格 (Xinge Yu)，香港青年科學院院士。香港城市大學生物醫學工程系副教授、博導，香港城大-中科院機器人聯合實驗室副主任，香港心腦血管健康工程研究中心協理副主任。2023香港RGC Research Fellow 獲得者。主持國家自然科學基金優秀青年科學基金項目（港澳）。《麻省理工科技評論》創新35人、IEEE納米醫學發明家、MINE青年科學家、日內瓦國際發明展金獎等獎項獲得者。《Microsystems & Nanoengineering》、《Bio-Design and Manufacturing》等10余部期刊的副主編和編委。研究方向為新型柔性電子在生物醫療領域以及智能觸覺VR中的應用。在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering等期刊發表論文160余篇。

文獻信息

Zhang, B., Li, J., Zhou, J. et al. A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1

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