本文介绍了香港城市大学于欣格团队在Nature上发表的研究论文，该论文介绍了通过三维定向汗液输运技术开发的一种兼具透气透汗与高集成度的柔性电子器件。该研究实现了长期舒适的佩戴和稳定的生理信号监测，为长期、稳定、舒适可穿戴电子提供了设计思路。文章还提到了该技术在健康监测、个性化医疗等领域的应用前景，以及其面临的结构设计和工艺方面的挑战。
受自然界生物的启发，设计了一种在三维尺度上驱动液体进行自发、定向输运的结构，称为三维液体二极管（3D LD）。
基于三维液体二极管技术，实现了透气、透汗的心电监测贴片，并实现了长达七天的连续心电监测。该技术也可应用于织物集成电子中，设计了一种用于多功能无线环境监测的电子织物。
该研究推动了透气电子从概念到实际应用的发展，有助于改善可穿戴电子领域的用户体验，在临床监护以及长期健康监测领域有广阔的应用潜力。
柔性电子在健康监测、个性化医疗等领域具有重要应用前景。然而，相对于其力学和电学性能，可穿戴设备的透气性仍不尽如意。较差的透气性导致汗液累积于器件-皮肤界面，不仅造成用户热生理不适，导致皮肤发炎，还会降低器件的信号质量及粘附强度，限制了其长期、精确的生理信号监测能力。
维持稳固的器件-皮肤界面，是实现柔性电子长期稳定工作的决定性因素。近期报道的透气电子，通过构建纳米或微米尺度孔洞结构，为皮肤提供透气、透汗通道，引起广泛关注。然而，由于单一的结构设计，已有报道只能实现电极层面的透气性。开发先进的可穿戴电子设备，包括集成功能更加复杂的传感器、电路、封装等结构，实现高集成度、多功能的透气电子，在流体操控和集成工艺等方面仍面临巨大的挑战。
本工作中，受自然界生物（猪笼草、仙人掌、蜘蛛丝等）特殊表面上液体自发输运现象的启发，研究人员设计了一种在三维尺度上驱动液体进行自发、定向输运的结构，称为三维液体二极管（3D LD）。通过面内、面外排汗结构的有序集成，3D LD 的液体传输速率超过人体正常排汗速率的 4000 倍。同时，其作为一种通用的透气、透汗衬底材料，可以通过传统加工工艺与高性能柔性电路直接集成，制备兼具高透气性与集成度的可穿戴电子设备。
图 1 基于三维液体二极管的柔性、集成透气电子
该研究的用户实验表明，与商业电极贴片和常用的 PDMS 基底相比，基于 3D LD 的电极贴片在用户舒适性、长期生物相容性、出汗状态下的粘附性和信号质量等方面都具有更优的表现。
图 2 三维液体二极管的舒适性与稳定性研究
基于三维液体二极管技术，该团队展示了一种透气、透汗的心电监测贴片，并实现了其在日常活动和运动状态下长达七天的连续心电监测。同时，也将该技术应用于织物集成电子中，设计了一种用于多功能无线环境监测的电子织物。
图 3 柔性、透气透汗皮肤与织物集成电子设备
总而言之，该研究工作提出了一种用于构建柔性、集成透气电子的普适性策略，推动了透气电子从概念到实际应用的发展，有助于改善可穿戴电子领域的用户体验，显著提升了柔性电子在长期服役中的监测精度及稳定性，在临床监护以及长期健康监测领域有具备广阔的应用潜力。
论文其他重要合作者还包括香港城市大学
邱美娈
助理教授、
王锋
教授，西南交通大学
杨维清
