麻省理工學院的工程師和韓國的研究人員開發了一種防汗的“電子皮膚”–一種可適應的、嵌入傳感器的粘性貼片，可以監測人們的健康狀況，即使佩戴者在出汗時也不會出現故障或脫落。
該貼片上有人工汗液通道，類似於人類皮膚上的毛孔，研究人員在材料的超薄層上蝕刻了這些管道。毛細孔在貼片上打孔，形成了類似於日本剪紙藝術的kirigami圖案。這種設計確保了汗水可以通過貼片排出，防止皮膚受到刺激和對嵌入式傳感器的損害。
kirigami設計還有助於貼片在拉伸和彎曲時與人體皮膚相適應。這種靈活性，加上材料的耐汗能力，使它能夠長期監測一個人的健康狀況，這在以前的 “電子皮膚 “設計中是不可能的。這項成果於2021年6月30日發表在《科學進展》雜誌上，是向追蹤日常生命體征或皮膚癌和其他疾病進展的長效智能皮膚邁出的一步。
麻省理工學院機械工程系副教授Jeehwan Kim說：“有了這種符合要求的、可透氣的皮膚貼片，就不會有任何汗液積累、錯誤信息或從皮膚上脫落。”我們可以提供可穿戴的傳感器，可以做持續的長期監測。”
研究合著者包括主要作者和麻省理工學院博士后Hanwool Yeon，以及麻省理工學院機械工程系、材料科學與工程系和電子研究實驗室的研究人員，還有來自化妝品集團Amorepacific和韓國各地其他機構的合作者。
Kim的小組專門從事柔性半導體薄膜的製造。研究人員開創了一種稱為遠程外延的技術，即在高溫下在晶圓上生長出超薄、高質量的半導體薄膜，並有選擇地剝離這些薄膜，然後他們可以將其組合和堆疊，形成遠比傳統晶圓設計更薄、更靈活的傳感器。
最近，他們的工作引起了化妝品公司Amorepacific的注意，該公司對開發薄型可穿戴膠帶以持續監測皮膚的變化感興趣。該公司與Kim達成合作，將該小組的柔性半導體薄膜製作成可以長期佩戴的東西。
但該團隊很快就遇到了其他電子皮膚設計尚未清除的障礙：汗水。大多數實驗性設計將傳感器嵌入到粘性的聚合物材料中，而這些材料的透氣性並不高。其他設計由納米纖維編織而成，可以讓空氣通過，但不能讓汗水通過。如果電子皮膚要長期工作，Kim意識到它不僅要能滲透水汽，還要能滲透汗水。
“汗水會在電子皮膚和你的皮膚之間積累，這可能會導致皮膚損傷和傳感器故障，”Kim說。“因此，我們試圖同時解決這兩個問題，讓汗水滲透到電子皮膚中。”
進行切割
為了獲得設計靈感，研究人員研究了人類的汗毛孔。他們發現，平均毛孔的直徑約為100微米，而且毛孔是隨機地分佈在整個皮膚上。他們進行了一些初步的模擬，看看他們如何疊加和安排人造毛孔，其方式不會阻止人類皮膚中的實際毛孔。
“我們的簡單想法是，如果我們在電子皮膚中提供人造汗腺導管，並為汗液製造高滲透性的路徑，我們就可能實現長期的可監測性，”Yeon解釋說。
他們從一個周期性的小孔圖案開始，每個小孔的大小與實際的汗孔差不多。他們發現，如果孔的間隔很近，距離小於平均孔的直徑，那麼整個圖案將有效地滲透汗液。但他們也發現，如果將這種簡單的孔洞圖案蝕刻在薄膜上，薄膜的可伸展性不強，在應用於皮膚時很容易破裂。
研究人員發現，他們可以通過在每個孔之間切割薄的通道來增加孔圖案的強度和靈活性，創造一個重複的啞鈴圖案，而不是簡單的孔，從而放鬆壓力，而不是將其集中在一個地方。這種模式，當被蝕刻在一種材料上時，創造了一種可伸展的、類似kirigami的效果。
“如果你把一張紙包在一個球上，它是不符合要求的，”Kim說。“但是，如果你在紙上切出一個kirigami圖案，它就可以順應。所以我們想，為什麼不把孔用切口連接起來，在皮膚上有類似kirigami的保形性？同時，我們可以滲透汗水。”
根據這一原理，該團隊用多個功能層製作了一個電子皮膚，每個功能層都被他們刻上了啞鈴狀的孔洞。皮膚層包括一個超薄的半導體圖案的傳感器陣列，以監測溫度、水化、紫外線照射和機械應變。這個傳感器陣列被夾在兩層薄薄的保護膜之間，所有這些都覆蓋著一種粘性聚合物粘合劑。
Yeon說：“電子皮膚就像人的皮膚一樣–非常有彈性和柔軟，而且汗水可以通過它滲透出來。”
研究人員通過將電子皮膚粘在一名志願者的手腕和額頭上進行測試。志願者在一周內連續佩戴該膠帶。在這期間，新的電子皮膚可靠地測量了他的體溫、水化水平、紫外線照射和脈搏，即使是在誘發出汗的活動中，如在跑步機上跑步30分鐘和食用辛辣食物。
該團隊的設計還符合皮膚，當志願者被要求在大汗淋漓的情況下反覆皺眉時，它能粘在志願者的額頭上，而其他電子皮膚的設計則缺乏汗液滲透性，很容易從皮膚上脫落。
Kim計劃改進該設計的強度和耐久性。雖然這種貼片既能透汗，又有很強的適應性，這要歸功於它的kirigami圖案，但正是這種圖案，加上貼片的超薄形式，使它對摩擦相當脆弱。因此，志願者不得不在膠帶周圍穿上一個套管，以便在淋浴等活動中保護它。
“由於電子皮膚非常柔軟，它可以被物理損壞，”Yeon說。”我們的目標是提高電子皮膚的復原力。