“可穿戴技术”的起源可以追溯到500年前时钟的发明。在过去的几个世纪里，可穿戴技术通过材料的开发、设备的进步以及不同功能的集成不断改进。此类电子产品的佩戴舒适度主要取决于人体的生理舒适度，如出汗、弯曲、弹性等。休息时，人体会不自觉地出汗来调节体温。皮肤表面汗液的平均蒸发率为23-28 g·m-2·h-1，但运动时应释放1.5-2.5 g。 ·m2·h1/小时增加出汗量以维持适当的体温[1]。
可穿戴技术的历史发展。图片来源：ACS Nano [1]
然而，在当前的可穿戴设备中，坚硬的电子元件和透气性较差的包装材料等因素影响了设备的透气性，导致汗水无法快速、完全地从皮肤上排出。夏季在户外佩戴智能手表跑步不仅会让佩戴者感到不舒服，而且会降低设备获取的信号质量，从而影响长期健康监测时的信号检测准确性。于是，有研究人员提出了“呼吸电子设备”的概念，其中可穿戴设备的透气性至少应该超过人体的非诱发排汗率，同时考虑到生理舒适度和生物相容性需求。
团队开发的一款灵活、透气、透汗的可穿戴设备。图片来源：香港城市大学[2]
近日，香港城市大学于欣格研究小组在《自然》杂志上发表论文，报告了一种基于三维液态二极管（3D LD）结构构建具有优异透气性、透湿性和耐磨性的可穿戴电子产品的策略。杂志。保持舒适。该器件似乎具有“二极管”的单向传导特性。垂直层向一个方向吸收汗水并防止回流，而水平层则向一个方向转移汗水。最大出汗次数为4000次。这高于人体运动时产生的汗液量。该结构可直接与可穿戴电子产品集成，且附着力强，因此设备在用于生物信号监测时工作稳定，不受表面出汗的影响。
一种基于“三维液体二极管”概念的可穿戴电子产品。图片来源：自然
三维液态二极管（3D LD）的设计理念并不复杂。首先，研究人员使用由聚酰亚胺（PI）支撑的蛇状互连Au/Ti作为电极材料。这种设计不仅在变形过程中保持与皮肤的接触，保证低阻抗和稳定的导电性，而且还具有良好的透气性。
透气电极和垂直层（VLD）的结构和性能。图片来源：自然
垂直层(VLD) 基于疏水性织物，具有灵活的多孔结构，可确保汗水转移和透气性。在此基础上，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为背衬胶的保护层，通过表面改性和激光钻孔形成有效的亲水梯度通道，快速去除皮肤上的汗液。表面被“抽气”。 VLD中的出汗率最高可达11.6 mL cm2 min1，比人类运动时的出汗率（0.382.85 103 mL cm2 min）还要高出三位数。 1)。
垂直层(VLD) 示意图。图片来源：自然
水平层(HLD) 由涂有一层超亲水材料—— 聚乙烯醇(PVA) 和SiO2 纳米颗粒复合物的聚二甲基硅氧烷(PDMS) 微柱组成，使汗液能够在通道内流动。汗水到达位于通道内的汗水收集器。最终它会蒸发到周围环境中或从出口滴出。通过用硅胶粘合垂直层、水平层和吸汗层来实现3D LD 结构。实验表明，3D LD与人造皮肤粘附良好，具有良好的生物相容性，并且允许气体和汗液在内部通道内不受阻碍地传输。
水平层(HLD) 和3D LD 结构和性能。图片来源：自然
然后，研究人员将商用心电图(ECG) 贴片与3D LD 集成，用于可穿戴测试。组装方法非常简单，只需将贴片粘贴到3D LD的表面即可。经过30 分钟的测试，商用心电图贴片和PDMS 贴片均从测试者的皮肤上脱落，而3D LD 贴片则粘附在测试者的身体上。连续佩戴3天，皮肤也没有出现红斑。
ECG贴片与3D LD集成以测试ECG数据。图片来源：自然
此外，3D LD 贴片几乎不受运动和汗液积累的影响。运行10分钟后，市售ECG和PDMS贴片的信号变得不稳定，信噪比显着下降。随着汗液在电极与皮肤界面处积聚，变得越来越难以辨别。相比之下，3D LD贴片优异的透明度使其能够在出汗前后稳定输出心电图信号。
佩戴舒适度和设备性能评估。图片来源：自然
3D LD 补丁监控不受移动影响。图片来源：自然
此外，3D LD 结构具有可扩展性，可以与更复杂的电路集成。例如，如果心电监护仪和无线传输设备同时安装在3D LD上，则可以在移动设备上读取心电信号。除了手机之外，温度、湿度、气压传感器也可以实时监测环境参数。
3D LD 结构的可扩展集成。图片来源：自然
“3D LD 不需要专有材料，而是使用我们称之为‘液体二极管’的透明层。我们的研究为柔软、透气的可穿戴设备提供了一种方法。液体”是操纵考虑到尺寸，这种结构可以与可穿戴设备完美集成。 ”[2]。
用于软集成透明电子器件的3D 液体二极管
张彬彬、李继宇、周靖昆、周龙、赵光耀、黄亚、马志强、张强、杨亚文、春翘、李健、春风军、黄星灿、高玉宇、吴鹏程、贾胜欣、胡莉， Dengfeng Li, Yiming Liu, Kuanming Yao, Rui Shi, Zhuanlin Chen, Bee Luan Khoo, Wei Qing Yang, Feng Wang, Zijian Cheng, Zuankai Wang Xinge Yu
自然，2024，DOI: 10.1038/s41586-024-07161-1
参考：
[1] Q. Huang Z. Cheng，透明电子发展之路，2022, 16, 1553715544 DOI: 10.1021/acsnano.2c08091。
[2] 超透明可穿戴电子产品，用于稳定和长期的生物信号监测。
https://www.cityu.edu.hk/media/news/2024/03/28/super-permeable-wearable- electronics-stable-long-term-biosignal-monitoring
（本文由小曦投稿）
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