據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，由南京大學(xué)、河海大學(xué)、山西省人民醫(yī)院、內(nèi)蒙古科技大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在電子皮膚領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，通過基于濕式異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶電射流的自組裝技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了超薄、超輕、透氣的多功能靜電紡絲微金字塔陣列（EMPA），在此基礎(chǔ)上研制了高靈敏度和快速響應(yīng)的EMPA壓容-摩擦電復(fù)合傳感器，該研究工作為開發(fā)具有出色性能和無感式下一代貼合皮膚（on-skin）器件提供了一種通用且可升級(jí)的策略，滿足了貼合皮膚器件在諸多場(chǎng)景中嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。

圖1 靜電紡絲微金字塔陣列（EMPA）的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貼合皮膚器件是指附著在人體皮膚上的功能性貼片或織物，可用于檢測(cè)生理和動(dòng)作信號(hào)，預(yù)防身體受傷，將生物能量轉(zhuǎn)換為電能等。這些器件在醫(yī)療保健、行為監(jiān)測(cè)、個(gè)人防護(hù)、自供電電子器件和人機(jī)交互方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。隨著這些領(lǐng)域的飛速發(fā)展，貼合皮膚器件被進(jìn)一步要求在減少感官干擾的情況下實(shí)現(xiàn)舒適的長(zhǎng)期使用，甚至有望在自然狀態(tài)下檢測(cè)動(dòng)作和觸摸，并將觸覺損失降至最低，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用，例如機(jī)器學(xué)習(xí)工匠技能和恢復(fù)肢體功能等。因此，人們非常重視開發(fā)各種貼合皮膚器件，這些器件不僅可以避免給人體皮膚帶來不適，還可以將對(duì)正常觸覺的干擾降至最低。

最近，Someya團(tuán)隊(duì)提出，超薄、超輕、透氣的薄膜是無感式貼合皮膚器件的理想候選材料。受限于現(xiàn)有技術(shù)，特別是靜電紡絲的隨機(jī)沉積方式，已報(bào)道的無感式薄膜的功能表面為平面。由于平面的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)特性較差，因此很難賦予無感式貼合皮膚器件以優(yōu)異的性能，從而限制了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。

相比之下，具有梯度幾何形狀的三維（3D）微結(jié)構(gòu)陣列，例如微金字塔、微錐、微半球和微棱鏡陣列等，在開發(fā)高性能器件方面具有優(yōu)勢(shì)，原因是它們的梯度空間填充、梯度應(yīng)力分布和梯度折射率等固有特性有利于調(diào)節(jié)力、熱、光和電。然而，現(xiàn)有的3D微陣列加工技術(shù)（如光刻和3D打?。o法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高透氣性、超薄厚度、超輕重量和梯度幾何形狀。因此，開發(fā)新型微結(jié)構(gòu)，提高無感式器件的性能成為相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)家所面臨的重大挑戰(zhàn)。

在本論文中，作者們通過靜電紡絲自組裝構(gòu)建了獨(dú)特的超薄、超輕、透氣的EMPA，從而賦予無感式貼合皮膚器件在各種應(yīng)用中具有出色的性能（圖2）。一系列濕式異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶電射流可以被組裝成由各種材料制成的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的EMPA。受益于靈活的可設(shè)計(jì)性，EMPA的最佳光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械和電學(xué)特性被充分開發(fā)利用，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于日間輻射制冷、壓力傳感和生物力學(xué)能量收集的無感式貼合皮膚器件的出色性能。

基于EMPA的輻射制冷織物（薄至47μm）具有較高的可見光-近紅外（VIS-NIR）反射率（97.9%）和中紅外（MIR）發(fā)射率（76.3%），在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光強(qiáng)度（1kW/m2）下，可以將皮膚周圍的溫度降低約4℃，并且提供長(zhǎng)期的舒適性。此外，所研制的EMPA壓容-摩擦電復(fù)合傳感器兼具高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間，靈敏度達(dá)到19kPa?1、檢出限低至0.05Pa、響應(yīng)時(shí)間快至0.8ms，這些優(yōu)點(diǎn)使其可以檢測(cè)到極微弱的指尖脈沖，以用于在寬頻范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)手指自然操作的健康診斷。具有高摩擦電和壓電輸出（105.1μCm?2）的EMPA納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了高效率的生物機(jī)械能收集。

值得注意的是，通過優(yōu)化EMPA的材料和結(jié)構(gòu)，研究人員可以進(jìn)一步提高和拓寬其性能和應(yīng)用領(lǐng)域。綜上所述，這項(xiàng)研究工作為組裝此類多功能EMPA奠定了基礎(chǔ)，并為貼合皮膚器件在有效的個(gè)人防護(hù)和醫(yī)療保健、高靈敏度傳感、高功率自供電電子器件以及最小感官干擾的人機(jī)交互等方面的應(yīng)用提供了眾多機(jī)遇。

圖2 基于EMPA的貼合皮膚器件的無感性評(píng)估

圖3 EMPA電特性及其在高靈敏度壓力傳感和高效生物能量收集中的應(yīng)用

審核編輯：劉清
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