Chemical Reviews 综述: 用于功能性皮肤界面的无感知电子纹身

知社学术圈 · 公众号 · · 2024-03-16 10:39

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人类身体从头到脚不断地释放生理和心理信息。能够无创并准确地将这些信息数字化，同时不影响用户舒适性和自由运动的可穿戴电子器件有可能彻底改变远程医疗、移动医疗以及人机交互或人-元宇宙交互方式。然而，目前广泛使用的可穿戴电子产品一般为刚性平面结构，无法与柔软弯曲的皮肤表面形成共形接触，因此在可穿戴性和功能性方面受到限制。电子纹身（E-Tattoos）作为一种无创可穿戴电子器件具有超薄和柔软的特性，可以共形、舒适地贴合在人体皮肤表面，不会对正常生活造成阻碍，甚至不会被感知。因此，电子纹身可以更加准确和稳定地监测人体生理及心理信号，更可靠地将人体信息数字化。

近日，德州大学奥斯汀分校鲁南姝教授课题组由李红变研究员领衔，在 Chemical Reviews 上发表了题为“ E ‑ Tattoos: Toward Functional but Imperceptible Interfacing with Human Skin ”的长篇综述。该综述对电子纹身的过去、现在和未来进行了系统总结和展望。作者首先从皮肤的结构和性质出发提出了对电子纹身设计的要求，之后从材料选择和结构设计方面对满足皮肤无感接触需求的电子纹身进行了介绍，接着提出了目前电子纹身制备和向皮肤表面转移的方法，进一步列举了电子纹身在传感、治疗及能源收集和存储的应用，之后涵盖了无线电子纹身的集成和封装策略，最后提出了电子纹身领域目前存在的挑战和未来的发展机遇。

目前电子纹身存在的挑战如下：

缺乏本征可拉伸的高性能导体和半导体材料 。尽管用于电子纹身的可拉伸导体和半导体材料在过去已经取得了很大进展，但性质仍与块体材料存在很大差距，限制了其在实际中的应用。
与皮肤的界面 。虽然电子纹身可以与皮肤形成良好的界面接触，但是其在透气性、毛发兼容性及可重复使用等方面仍存在诸多挑战。
自然环境中自由运动下的数据质量。 受与外电路连接等方面限制，电子纹身在自由运动条件下检测信过程中仍可能存在运动伪迹，从而影响信号质量。
用于提供触觉反馈的电子纹身致动器 。虽然目前电子纹身已经在传感、治疗和能源领域取得了诸多进展，但是目前尚没有电子纹身致动器的报道。这主要是受致动器的结构和性能所限，机械致动器需要磁铁提供足够的能量进行震动，热制动器中超薄热电薄膜输出功率仍然较低，这些都限制了致动器件厚度的进一步降低至超薄结构。

应对上述挑战也为电子纹身发展提供了新的机遇，主要概括如下：

1. 规模化、低成本或者在体制备电子纹身。

电子纹身的超薄特性为其重复使用带来了挑战。因此，发展规模化、大面积、低成本的方法来制备电子纹身显得尤为重要。此外，超薄特性使得预制的电子纹身向皮肤表面转移过程中容易发生损坏。发展电子纹身的在体制备方法，可以避免转移电子纹身的过程中可能对器件造成的损坏，同时可以与皮肤表面，甚至有毛发皮肤表面形成共形接触，从而提高电子纹身所采集的信号质量。

2. 可穿戴无线超声电子纹身。

虽然目前与皮肤共形的可穿戴超声器件已经取得了很大进展，但是目前的可穿戴超声器件仍主要依赖大型台式系统进行脉冲采集和传输，限制了其在实际中的应用。整体可穿戴的无线超声电子纹身可以实时、长期、稳定的采集人体信号并传输，是电子纹身的重要发展方向之一。

3. 自供电电子纹身系统。

目前的电子纹身主要依赖外接电源或者移动的电源设备，限制了电子纹身系统的整体舒适性。因此，发展高性能的电子纹身能源器件以及开发自供电的电子纹身系统，是电子纹身实现实际应用的重要方面。

4. 多模态和多位点融合，身体区域网络。

电子纹身适用于不同部位，可以多模态、多位点采集身体信号，从而形成身体区域网络。将这些信号进行融合，可以更加全面的体现人体信息，实现更可靠地人体信息数字化。

5. 闭环电子纹身。

将电子纹身传感器件、治疗器件及致动器件相结合形成闭环系统，可以实现实时、按需治疗以及在传感的同时提供实时触觉反馈，实现更好的沉浸式体验。因此，发展基于电子纹身的刺激器及致动器，也是未来的重要发展方向。

6. 与可植入电子交互的电子纹身。

电子纹身与植入电子的交互可以实现二者功能的共同增强。一方面，电子纹身可通过无线方式监测和传输数据，作为一个闭环平台对病人的身体信息进行实时反馈，从而为植入电子提供指导。另一方面，电子纹身也可以从植入电子所提供的治疗中获益。通过整合电子纹身和植入电子提供的数据，临床医生可以更全面、更准确地了解病人的健康情况，从而在无外部干预的情况下实现更精准地治疗。

7. 为电子纹身特制的集成电路。

电子纹身的超薄结构为其与外电路集成带来了挑战，因此，发展基于电子纹身的集成电路设计，制备全电子纹身系统，也是未来的重要发展方向之一。