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  柔性電子器件可作為表皮電子設(shè)備和可人體植入電子設(shè)備用于個(gè)人醫(yī)療保健、人類(lèi)活動(dòng)監(jiān)控和人機(jī)界面等方面。然而，目前大多數(shù)表皮電子設(shè)備都建立在固態(tài)無(wú)孔隙的聚合物襯底上，例如PDMS、PET和PI等。這些聚合物材料缺乏透氣性，會(huì)阻止人體皮膚中汗液等揮發(fā)性成分的散發(fā)，降低穿著舒適度，刺激皮膚，甚至導(dǎo)致皮膚過(guò)敏。并且這類(lèi)材料的楊氏模量較大，厚度較厚，難以和皮膚形成緊密接觸，這會(huì)降低對(duì)生物電（EP）監(jiān)測(cè)的信號(hào)質(zhì)量。因此，為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用，必須開(kāi)發(fā)具有良好透氣性材料作為襯底。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)電極與皮膚間的緊密接觸，提升生物電監(jiān)測(cè)的信號(hào)質(zhì)量，開(kāi)發(fā)質(zhì)地柔軟的材料也十分重要。

  針對(duì)以上所述的瓶頸問(wèn)題，北卡羅萊納州立大學(xué)朱勇教授和南京郵電大學(xué)馬延文教授合作提出了利用呼吸圖法制備多孔TPU膜，然后將銀納米線（AgNWs）熱壓至TPU表層下制備成超薄透氣可拉伸導(dǎo)電薄膜。這種多孔膜具有良好的透氣性，保障了汗液可以自由蒸發(fā)，防止損傷皮膚，提高了長(zhǎng)期佩戴的舒適度。且其超薄特性使之能夠與皮膚緊密接觸，從而提升了對(duì)生物信號(hào)的監(jiān)測(cè)質(zhì)量。除了作為表皮電子器件作為膚上生物電感應(yīng)電極外，這種超薄透氣可拉伸導(dǎo)電薄膜還可以集成在紡織品表面，用作無(wú)線觸摸傳感器中觸摸電極。這項(xiàng)研究為制備超薄透氣性柔性電子材料提供了新的思路。

圖1. 制備多孔透氣性薄膜過(guò)程的原理圖。

  這種多孔薄膜電極非常適合對(duì)生物電信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)。其在人造皮膚上的電極的光學(xué)顯微鏡圖像說(shuō)明了這種超薄的電極與皮膚可以形成緊密的接觸，從而確保了接觸面積并降低了皮膚-電極阻抗。在監(jiān)測(cè)心電圖（ECG）和肌電圖（EMG）信號(hào)檢測(cè)方面，這一新型多孔導(dǎo)電薄膜電極與商用凝膠電極的性能相近。同時(shí)，這種電極在使用過(guò)程中不需要添加導(dǎo)電的凝膠，完全避免了凝膠可能引起的皮膚刺激以及凝膠脫水引起的信號(hào)降低。同時(shí)，該多孔電極的良好透氣性對(duì)于保障它在人體表皮連續(xù)監(jiān)測(cè)生物電信號(hào)的應(yīng)用也是非常重要的。

圖2. 多孔透氣性電極在生物電監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。

  這種透氣性的電極也可以應(yīng)用在自電容式觸摸傳感器的電極。集成了自電容模式無(wú)線觸摸傳感器的袖套可以用作無(wú)線人-機(jī)接口來(lái)游玩俄羅斯方塊游戲。圖3顯示了不同按鍵的功能以及通過(guò)觸摸按鍵控制磚塊的移動(dòng)軌跡，可以看到這種觸摸傳感器靈敏度高且響應(yīng)準(zhǔn)確。按下袖套上不同的鍵后，游戲中的圖塊會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)時(shí)變化，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的延遲。

圖3. 多孔透氣性電極在無(wú)線人機(jī)界面方面的應(yīng)用。

  上述工作發(fā)表在ACS Nano期刊上。南京郵電大學(xué)大學(xué)周偉欣和北卡羅來(lái)州立大學(xué)姚姍姍（現(xiàn)紐約大學(xué)石溪分校）為共同第一作者，南京郵電大學(xué)馬延文教授和北卡羅萊納州立大學(xué)朱勇教授為共同通訊作者。該課題得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)No. CMMI-1728370.項(xiàng)目的資助和江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(BE2018010-3)資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c00906