电子皮肤能够非侵入的、长期的监测生物物理和生理信号，在健康、医药、和人机交互等方向展现了广阔的应用前景。然而，常用于制备电子皮肤的弹性薄膜很难适应皮肤的微湿环境。首先常规弹性薄膜是不透气的，阻碍了皮肤的排汗。其次，常规弹性薄膜难以黏附在湿润的皮肤表面。另外，多数电子皮肤很难在水下工作。
近日，香港理工大学郑子剑和黄琪瑶团队提出一种湿适应电子皮肤（WADE-skin）。该WADE-skin由贴皮肤的湿黏附纤维毡层（PAAND fibre mat）、与空气接触的防水可拉伸纤维毡层（SBS fibre mat）和可拉伸的液态金属（EGaIn）电极层组成。这一WADE-skin同时实现了优异的拉伸性，湿黏附性，透气性，防水性以及生物相容性。WADE-skin可以在接触几秒钟后迅速黏附在人的皮肤上，并在湿润条件下长期保持高的黏附强度，而不对皮肤健康造成任何负面影响。与之相比，不透气的电子皮肤在湿润皮肤上会黏附失效，且长期贴肤将引起皮肤溶胀发白和皮肤发炎。这一WADE-skin的液态金属电极可基于不同传感功能按需设计。该研究展示了WADE-skin在大量出汗和水下活动中稳定记录人体心电信号的应用。同时，该研究还集成了可拉伸应变传感器和虚拟现实技术（VR）于WADE-skin，在实时检测生命体征的同时，实现了VR协助下的水下人机交互。
图1湿适应电子皮肤（WADE-skin）的概念设计。(a)示意图展示了WADE-skin的制备、特性和应用场景。(b)在剧烈出汗和长时间贴附期间，WADE-skin和传统电子皮肤（E-skin）附着于人体皮肤上的情况。(c)一块WADE-skin（30厘米x 17厘米）被拉伸的照片。(d-e) 扫描电子显微镜（SEM）图像显示了WADE-skin的防水层（d）和黏附层（e）的表面形态。(f) WADE-skin 牢固地粘在人的手背。(g) WADE-skin 粘附在薄的PDMS薄膜上的横截面图像。
图2. WADE-skin的透气性、防水性和生物相容性。(a)对照样、SBS纤维毡、WADE-skin、医用胶布、医用PU胶带和PDMS薄膜（50微米）的透湿率；插入图为水汽透过WADE-skin。(b)WADE-skin的防水性展示；插入图为WADE-skin的水接触角测试。(c)在对照样、WADE-skin的防水层、液态金属层、粘附层，以及20%二甲基亚砜（DMSO）上培养3T3细胞后的荧光图像。（d)不同培养组下3T3细胞存活率。(e)不同培养组在培养1、2和3天后MTT测定中450 nm的吸光度。(f)材料的长期致敏性测试；该志愿者的前臂同时贴了WADE-skin、医用胶布、医用PU胶带和PDMS/医用PU胶七天。
图3. WADE-skin的粘附性能。(a)WADE-skin在湿皮肤上的粘附和按需脱离机理。(b)WADE-skin在不同黏附时间时对猪皮肤的剪切粘附强度。(c)WADE-skin与各种商用生物胶粘剂的粘附性能比较。(d)WADE-skin、医用胶布和医用PU胶带在干燥皮肤和湿润皮肤上的粘附性能比较。(e)这些胶粘剂在人工汗液处理（200 g/m²）后的粘附性能比较，以及通过蒸发汗液恢复粘附性能的能力。(f)滴水或碳酸钠（2wt%）/十二烷基苯磺酸钠（2wt%）溶液于WADE-skin的表面对其粘附强度的影响。(g)将水（蓝色）或碳酸钠/十二烷基苯磺酸钠溶液（橙色）滴在WADE-skin的表面；水积聚在WADE-skin表面，而碳酸钠/十二烷基苯磺酸钠溶液轻松穿透了WADE-skin。
图4. WADE-skin用于心电图监测。(a)WADE-skin作为心电图电极的结构图。(b)WADE-skin粘附在PDMS基底上的截面图。(c)WADE-skin和商用凝胶电极的皮肤阻抗-频率曲线。(d)干燥皮肤下的心电图监测。(e-f)WADE-skin和凝胶电极粘附在湿润人体皮肤上的心电图信号（e）和照片（f）。(g-h)贴附了WADE-skin和凝胶电极的志愿者进行1小时跑步的照片（g）和心电图信号（h）。(i)WADE-skin连接到无线心电设备，实现了在海水中游泳时同步测量心电信号。(j)WADE-skin进行了为期一周的心电信号检测。
图5. WADE-skin集成液态金属应变传感器阵列实现人机交互。(a)WADE-skin作为应变传感器的示意图。(b)应变传感器阵列与人手背共形贴合的照片。(c)WADE-skin应变传感器的电阻与应变的关系。(d)在100%应变下，WADE-skin应变传感器进行5000次连续拉伸释放循环的电阻变化图。(e)WADE-skin贴合在食指关节上的传感性能。(f)WADE-skin应变传感器阵列在空气中和在水下执行不同手势的数字信号输出，上方图像为相关手势。(g)WADE-skin的机器手控制系统的集成。（h）WADE-skin实时水下控制机器手的展示。
图6. 虚拟现实（VR）辅助的人机交互。(a) WADE-skin的系统集成，包括：粘附在人手掌背面的应变传感器阵列，用于无线控制类人机器人；VR眼镜，用于即时接收机器人视觉；心电图电极，用于监测生命体征。(b)照片展示了WADE-skin的系统。(c)一个志愿者在VR视觉下，远程操纵类人机器人沿着固定路线（黄线）行走，并记录实时的平均心跳率（HBR）。(d)控制类人机器人进行无接触核酸检测。(e-f)水下控制类人机器人抓取工具（e）和移动重物（f）。
视频1：一名志愿者贴着WADE-skin应变传感器阵列、WADE-skin心电图电极并戴着VR眼镜，远程、实时地操纵类人机器人沿着黄色路径行走。
视频2：WADE-skin在水下操作类人机器人。
该研究论文以“Wet-adaptive Electronic Skin”为题发表于Advanced Materials (Adv. Mater. 2023,202305630)上，论文第一作者为博士生陈繁。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202305630
通讯作者简介：
郑子剑博士，香港理工大学应用生物及化学科技学系（ABCT）, 智慧能源研究院、智能可穿戴研究院教授。2003年获得清华大学化学工程系工学学士学位，2007年获得剑桥大学化学系博士学位，2008-2009年在美国西北大学Mirkin教授课题组从事博士后研究；2009年加入ITC担任助理教授并成立独立课题组，2013年破格晋升为终身副教授，2017年晋升为教授，2023年晋升为讲席教授。
研究方向主要包括柔性电子、微纳制造、高分子智能材料、能源转化与存储。迄今已在包括Science、Nature Materials、Nature Communication、Science Advances、Advanced Materials、JACS、Angew Chem等高水平SCI期刊发表学术论文200余篇；申请专利25项。创办Wiley绿色能源环境领域的先进材料期刊《EcoMat》并担任主编，亦担任Advanced Materials和Small的客座编辑，以及Advanced Energy Materials的顾问委员会成员。2018年当选香港青年科学院创院院士，2020年当选长江讲座教授，2021年当选香港研资局高级研究学者。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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