天津大学与清华大学的联合研究团队开发了一种新型的电子皮肤，灵感来源于蜘蛛网的独特结构，采用半液态金属新材料，具有高透气性、出色的拉伸性和强大的粘附性。这项创新技术有望为可穿戴电子设备、电子皮肤和软体机器人等领域提供新的设计思路。研究成果以“Semi-liquid metal based highly permeable and adhesive electronic skin inspired by spider web”为题发表于Science Bulletin期刊。文章共同第一作者为天津大学精密仪器与光电子学院副研究员国瑞和硕士生李小庆，文章通讯作者为天津大学国瑞副研究员和清华大学深圳国际研究生院汪鸿章特别研究员。
研究亮点
基于仿生蛛网结构和半液态金属涂层的电子皮肤为同时改善可穿戴设备的导电性、粘附性、透气性、贴合度等方面提供了新设计策略；并能够在高加速度等极端条件下实现多种生理信号的采集。
研究背景
柔性可拉伸电子由于其优异的柔性和可拉伸性在可穿戴电子设备、电子皮肤和软体机器人等多个领域得到了广泛关注。在理想情况下，柔性电子设备能够贴合人体曲线并适应动态运动，提供更为舒适的使用体验以及更加精确的生理参数监测功能。然而，现有的基于导电弹性体、水凝胶和液态金属的可穿戴电子设备常面临透气性低、粘附性差、导电性不足和延展性有限等问题，不适合长时间或剧烈运动佩戴，从而限制了其在长期健康监测和运动监测中的应用。如何在提升柔性电子本身具有的拉伸性和透气性等优越性能的同时，兼顾其导电性和灵敏度，是一个具有重要研究价值的课题。
成果简介
天津大学精密仪器与光电子学院国瑞副研究员和清华大学深圳国际研究生院汪鸿章特别研究员联合团队长期聚焦于柔性可穿戴设备性能的研究与优化，针对传统导电弹性体、水凝胶等作为基底存在的拉伸性、透气性差等缺陷，提出了一种基于独特蛛网结构与半液态金属的电子皮肤的设计来解决这一难题。
首先，独特仿生蛛网结构使电子皮肤展现出优异的透气性和拉伸性（应变高达850%）。同时，该设计结合半液态金属涂层，使电子皮肤具有卓越的导电性（9×10 6 S/m）。此外，在电子皮肤表面分布的聚硼硅氧烷和半液态金属，实现了类似蜘蛛网黏液的强粘附效果，兼具高拉伸性和金属般的高导电性。
该团队提出的仿生电子皮肤设计，在力学表征、渗透性实验、黏附性测试、电学性能测试等实验以及在对各种生理参数的长期监测和机器学习识别功能中都展示了无可比拟的综合优势，为可穿戴设备在医疗健康监测和疾病诊断领域的商业应用奠定了基础。
这项技术的突破不仅为可穿戴电子设备领域带来了新的可能性，也为患者的长期健康监测提供了更为舒适和可靠的解决方案。随着技术的不断成熟和应用的深入，该电子皮肤能够在未来的健康医疗领域发挥更大的作用。
图文速览
图1 基于液态金属的高粘附性和透气性蛛网-液滴结构的电子皮肤.(a) 带有粘性液滴的蜘蛛网示意图。(b) 蛛网-液滴结构的电子皮肤的示意图。(c) 蛛网-液滴结构的电子皮肤的制备过程示意图。(d) 蛛网-液滴结构的电子皮肤粘附在弯曲手腕上的照片，以及悬挂20克重物的照片。(e) 在850%应变前后，蛛网—液滴结构的电子皮肤上Au和Cu-EGaIn涂层的照片。(f) 蛛网-液滴结构的电子皮肤在最大拉伸性下，与之前报道的可拉伸导体的导电性比较。图2 蛛网-液滴结构的电子皮肤的粘附性能.(a) PBS化学结构的示意图。(b) 蛛网-液滴结构的电子皮肤上的PBS粘附点粘附在弯曲手腕皮肤上的照片。(c) 剥离后的PBS表面上复制的皮肤纹理结构和穿过PBS的毛发照片，展示了其与皮肤的贴合接触。(d) PBS和Ecoflex与粗糙皮肤的接触面积模拟。(e) 在不同拉动速度下基底和PBS之间粘附界面形状的模拟。(f) 在不同搭接剪切速度下皮肤上的粘附强度。(g) 在不同拉动速度下皮肤上的粘附强度。(h) 在不同剥离速度下皮肤上的粘附强度。(i) 在连续剥离测试后的皮肤粘附强度变化。(j) 在湿润和干燥条件下皮肤上的粘附强度。(k) 经过不同次数佩戴后的皮肤剥离强度变化。图3 蛛网-液滴结构的电子皮肤的机械性能和透气性能.(a) 蛛网-液滴结构电子皮肤的结构示意图及在850%应变下的应变分布。(b) 7组蛛网-液滴结构电子皮肤在最大应变状态下的照片。(c) 7组蛛网-液滴结构电子皮肤的应力应变曲线。(d) 7组蛛网-液滴结构电子皮肤覆盖容器的失水和(e)湿度。(f) 使用医用绷带、蛛网-液滴结构电子皮肤和Ecoflex薄膜进行皮肤刺激试验。(g) 对照组和PBS细胞活性。图4 网状滴状电子皮肤的电学特性.(a) Cu-EGaIn导线在蛛网-液滴结构电子皮肤和整个Ecoflex薄膜上的电性能评估。(b) 10次重复拉伸过程中不同应变下Cu-EGaIn导线在蛛网-液滴结构电子皮肤上的电阻评估。(c) 650%应变下蛛网-液滴结构电子皮肤的10000次循环的抗性评估。(d) 手腕、肘部和膝盖皮肤上的Cu-EGaIn导线的电阻变化。(e) 在蛛网-液滴结构的电子皮肤上构建LED电路。(f) 涂有固定胶的蛛网-液滴结构电子皮肤在最大拉伸状态下的应变分布。(g) LED在各种极端条件下都能保持牢固的连接和照明。(h) 将LED电路安装在附着在膝盖、肘部和手腕皮肤上的蛛网-液滴结构电子皮肤上。图5 无线体表温度、湿度、光强多参数监测装置.(a) 无线多参数监测系统组成示意图。(b) 无线多参数监测装置照片。(c) 3种传感器照片。(d) 设备在不同运动状态下采集到的3种信号。(e) 设备在24小时活动中采集的3种信号。图6 无线心电和肌电监测装置.(a) 无线心电和肌电监测系统组成示意图。(b) 无线心电和肌电监测装置的照片。(c) 12秒内的心电图波形。(d) 收集60分钟内的心率数据。(e) RR区间散点图。(f) 6种手势的双通道肌电信号。(g) SVM算法示意图。(h) 评价结果的混淆矩阵。天津大学精仪学院副研究员，从事基于液态金属的柔性电子制备方法研究。2021年毕业于清华大学生物医学工程系，在基于液态金属的柔性电子制造技术、印刷电子、可穿戴医疗设备等领域取得了一系列研究成果，开发出多种液态金属柔性电路图案化的制造技术。目前已发表SCI文章40余篇，其中包含第一作者/通讯文章21篇，被引2400余次。获授权发明专利21项。以多功能液态金属柔性电子制造技术为代表的研究成果发表在Advanced Science期刊，并入选高被引论文。曾连续3次获得清华大学国家奖学金，获得 2020 届清华大学特等奖学金、海淀区“海英之星”奖学金，清华大学优秀博士学位论文，互联网+大学生创新创业大赛天津市银奖等荣誉奖励。清华大学深圳国际研究生院特别研究员、博士生导师。依托清华大学深圳国际研究生院双螺旋中心郑泉水院士团队，主要致力于液态金属智能响应材料开发及其在新型机器人驱动与传感领域的应用研究，共在Nature Review Materials，Science Advances，Matter, Advanced Materials，Accounts of Materials Research等期刊发表学术论文 40余篇，获得国家授权发明专利10项，出版专著1章节。所设计液态金属相变机器入选外太空实验计划。部分工作被中央电视台、国家外文局等媒体报道。主持国家自然科学基金和博士后科学基金项目，入选中国工程机械学会青年人才托举工程。担任The Innovation期刊（IF: 32.1）青年编委。曾获得清华大学学生最高荣誉特等奖学金、北京市优秀博士学位论文、清华大学优秀毕业生、清华大学优秀博士学位论文、清华大学水木学者计划、中国材料大会优秀青年学术报告等荣誉。汪鸿章课题组目前正在招聘博士生以及博士后数名，感兴趣可发邮件至[email protected]。天津大学精密仪器与光电子学院电子信息硕士研究生在读。研究方向：液态金属，柔性电子。--检测服务--
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927324004572声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
