近年来，对监测人体生命信号的迫切需求，以及对不同刺激下手指或手部操作的精确测量，推动了可穿戴和表皮电子传感器的科技突破。然而，这些电子皮肤往往受到复杂的材料合成方法的影响，并且需要额外的封装以维持水合功能环境。与此同时，电噪声是表皮和可穿戴电子传感器高质量信号记录的挑战，主要归因于皮肤-电极界面的相对运动。另一方面，由于汗腺的存在和角质层的多孔性，皮肤保持自然湿润。因此，当将金属电极与皮肤保形接触时，自由电子充当电极中的载流子，而离子通量有助于组织中的传导以交换电子和离子信号。天然拥有的内部离子交换能力和表皮的防水保护外壳使人类皮肤成为克服实施合成导电凝胶传感器的巨大挑战的理想选择。
鉴于此，南方科技大学郭传飞教授联合麻省理工学院Nicholas X. Fang利用生命系统中的离子传输构建了一个离子电子传感结构：皮肤电极机械传感结构（SEMS），仅由两个电极和皮肤组成。它具有较高的压力分辨率和空间分辨率，能够在不同的皮肤湿度下感受触摸和检测指尖脉搏等微弱的生理信号。接着进一步制造了一种全纺织的基于SEMS的手套，用于具有毫米空间分辨率的压力映射。SEMS的简单性和可靠性在广泛的医疗保健应用中具有很大的潜力。相关研究成果以题为“Skin-electrode iontronic interface for mechanosensing”发表在《Nature Communications》上。
【SEMS的原理、结构与性能】
SEMS仅由皮肤、具有微结构表面的传感电极(SE)和高度贴合的反电极(CE)组成，该表面微结构允许皮肤-电极接触发生细微变化（图1a）。与现有电子皮肤通常具有分层结构的复杂设计相比，SEMS具有更简单的结构，电极平行层压在皮肤表面，无需使用任何合成的离子凝胶或水凝胶。作者制造了长度(L)与半径(R)纵横比为6作为SE的镀金聚二甲基硅氧烷(PDMS)微柱（图1b），加载后，软微柱结构允许皮肤-电极界面的接触面积发生敏感变化（图1c），其行为类似于单位面积电容比传统电容器高得多的电容器。图1d显示SEMS具有非线性电容-压力响应性质，可分为四个阶段：在P <3 kPa灵敏度为~1.3 kPa-1，并在3-4 kPa内急剧增加到11.8 kPa-1，然后从4到15 kPa下降到2.8 kPa-1。图1e表明SEMS 显示出~1 Pa 的极高压力分辨率，或在~5 kPa 的基础压力下显示出~0.02%的分辨率，并且能够检测具有尖峰的 P 波、T 波和 D 波的特征。图1f 中进一步展示了用于压力映射的SEMS 像素阵列。
图 1. SEMS 的工作机制和传感性能
【基于有限元分析的SEMS传感机制】
由于离子电容与皮肤电极接触面积成正比，我们利用细长微柱的屈曲不稳定性来最大化外部负载下接触面积的变化。如图2a所示，压缩测试中的变形柱可能会采用不同的形态，具体取决于长度与半径的纵横比(L/R)及其相对于基板的刚度。由于接触面积（或最大灵敏度）的最快速变化发生在具有较大纵横比的屈曲不稳定性开始之后，我们预计每单位载荷会有更剧烈的面积变化，对应于更高的灵敏度（图2b）。因此，具有细长梁或其他毛状结构的电极将非常有利于超级电容传感器的构建。作者通过有限元分析（FEA）进一步验证了微结构电极的实验结果。扫描电子显微镜（SEM）检查中观察到了预屈曲、过渡、后屈曲和饱和阶段，并且模拟的形状与不同阶段的SEM图像高度一致，如图2c所示。
图 2. SEMS 压缩变形的结构设计考虑和数值模拟
【SEMS 的稳定性、皮肤刺激性和抗干扰性】
表皮电子设备需要在静态或动态信号记录过程中保持稳定，并在长期佩戴时对皮肤安全。本文的表皮SE和CE都表现出高柔韧性，在挤压或拉伸至~10%的应变时不会产生裂缝（图3a，3b）。CE是一片完全符合皮肤纹理的薄金箔，因此当接触CE时，SEMS的电容信号几乎保持不变（图3c）。SE的电容信号可能在人体的不同部位有所不同，同时SE的弹性微结构也使信号测量具有高可靠性：SEMS的响应在5000次重复加载(5kPa)-卸载循环后仍保持高度稳定（图3d）。此外，当SEMS附着在皮肤上24小时时，参与皮肤安全性测试的所有6名受试者均未报告不适，且传感区域未报告皮肤刺激或发红（图3e，3f）。作者进一步测试了运动前后SEMS的电容记录，出汗会增加电容基线，但对生理和触摸信号的检测几乎没有影响（图3g-3i）。作者进一步测试了电噪声的影响，发现运动引起的噪声对触觉感知的影响可以忽略不计（图4a-4c）。
图 3. SEMS 的稳定性以及汗水对脉搏和触摸检测的影响
图 4. 电噪声的抗干扰性
【基于SEMS的智能手套及其在触觉感知中的应用】
作者设计了一种基于SEMS的全纺织手套，由用作间隔物的穿孔丝衬里、附着在碳布线上的分布式SE传感层和粘合传感层的顶部保护织物层组成（图5a）。每个SE由数千个静电植绒PET柱组成，上面涂有一层薄薄的Au膜（图5b）。因为植绒微柱大多是倾斜的（图5c），在加载时，传感元件表现出没有“初始接触”的响应，而是直接经历屈曲阶段，达到最大灵敏度，然后是“后屈曲”响应变得饱和的阶段（图5d）。基于SEMS的智能手套包含65个传感元件，覆盖所有手指和手掌，指尖上的SE密度高于手掌和手指近端部分，如图5e所示。握住柔软且可压缩的气球会导致整个手掌上的压力分布相对均匀（图5f），而握住硬烧杯会在手指上产生强烈的信号幅度，但在手掌上产生的信号要弱得多（图5g）。图5h-5i表明基于SEMS的智能手套能够在不同的皮肤水分条件下始终如一地检测生理和压力信号。
图 5. 用于压力映射和脉搏波检测的全纺织智能手套
【总结】
本文报道的SEMS未使用任何离子液体或凝胶，与现有的通常具有夹层结构的表皮压力传感器或电子皮肤相比，显著简化了传感器结构，同时表现出更高的灵敏度和响应速度。此外，作者验证了SEMS的离子电子特性，并表明 CE 和 SE 之间的距离（从亚毫米到米级）对其动态触觉传感性能几乎没有影响，这使得 SEMS 可以灵活地部署在皮肤上作为表皮设备或基于纺织品的可穿戴设备。并成功制备亚毫米尺寸的传感元件，并具有高达 66 dB 的信噪比。
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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