受“剪纸艺术”“皮肤毛孔”启发,MIT科学家成功研发出新型智能皮肤

学术头条2021-07-06
这款防汗贴片或将是可持续性智能皮肤研究的又一次向前迈进。

本文来自微信公众号“学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:吴婷婷,编审:寇建超,36氪经授权发布。

如今,使用可穿戴设备实时监测身体健康状况,已经逐渐成为日常生活的标配,比如各种手环手表,以及皮肤贴片等趋于微小体积的产品或技术。

然而,就皮肤贴片而言,有一个始终难以攻克的难题 —— 无法为人们提供如真实皮肤那样活动自如、无异物感以及不会轻易脱落的体验。此外,为了进行可靠的身体健康监测,电子皮肤和人体皮肤接触的界层必须完好无损。因此,在动辄就汗水淋漓的炎炎夏日,如何使皮肤贴片具备防汗功能以防止损坏,是科学家们一直在思考的问题。

近日,麻省理工学院机械工程副教授 Jeehwan Kim 团队及其合作者,就共同开发出了一款防汗 “电子皮肤”,这是一种内嵌传感器的粘性贴片,其上巧妙分布着类似人体的 “毛孔”,不仅舒适亲肤,而且即使佩戴者出汗,也不会出现故障或从皮肤上脱落。该设计能够作为舒适的可穿戴设备,更加有效地监测人们的健康状况,比如皮肤癌等。

相关研究论文以 “Long-term reliable physical health monitoring by sweat pore–inspired perforated electronic skins” 为题,于近日发表在科学期刊 Science Advances 上。

(来源:Science Advances)

“智能皮肤” 真有这么厉害?

防汗,那跑步时大汗淋漓也不会脱落,或是影响监测数据吗?贴肤、无异物感,那活动某些部位时也毫无影响吗?

别说,还真有这么厉害 —— 先来看看试验结果吧:

试验中,研究人员将这款全新的电子皮肤贴在志愿者的手腕和前额上进行测试,并让志愿者连续佩戴该设备超过一周。在此期间,智能贴片能够有效地测量出受试者的体温、水分含量、紫外线照射和脉搏。而且,为了测试其防汗效果,受试者进行了跑步 30 分钟、吃辛辣食物并大量出汗的尝试,结果贴片纹丝不动,其监测性能也未受影响。

图 | 受试者贴上传统贴片(红色)和此次的新电子皮肤(蓝色),大量出汗后二者性能的对比(来源:该论文)

该团队的这一设计也已证实非常贴合皮肤:将电子皮肤贴在志愿者的额头上,让他们反复皱眉或是大汗淋漓,也没有出现起皱、剥离和松弛情况。而对照组的其他电子皮肤设计则缺乏汗水渗透性,容易从皮肤上脱落。

人造毛孔:不仅透气,还能透汗

那么问题来了,这是如何做到的呢?

实际上,Kim 的团队一直致力于创新柔性半导体薄膜材料。早在去年 2 月,他带领的团队就研发了一种被称为远程外延(remote epitaxy)的技术,使用该技术,让晶片在高温下生长出超薄、高质量的半导体薄膜,研究人员就可以将这些薄膜组合堆叠起来,形成比基于传统晶片更薄、更灵活的薄膜传感器。

图 | 使用远程外延技术制造的纳米级薄膜传感器(来源:MIT News)

此次,他们就尝试使用种技术制造出超薄可穿戴贴片,但很快就遇到了其他电子皮肤设计尚未清除的障碍:汗液。正如 Kim 所说:“一旦汗液积聚在电子贴片和人体皮肤之间无法渗透出来,可能会导致皮肤损伤和传感器故障。” 因此,如果要使电子皮肤长期可持续性地发挥作用,就不仅要透气,还要能透汗。

而后,研究人员仔细研究了人体毛孔并从其中获得了灵感。他们发现,毛孔的平均直径约为 100 微米,并且随机分布在皮肤上。论文第一作者、MIT 博士后 Hanwool Yeon 表示:“我们的想法很简单,如果能够在电子皮肤中提供人造 “汗管” 并为汗液制作高渗透性路径,就可能实现长期监测的功能。”

于是,他们从模仿人体皮肤入手,在贴片上蚀刻出一个个与人毛孔一样大的 “人造毛孔”,同时,他们发现,当孔隙间隔很近、距离小于平均孔隙直径时,整个系统将更加有效地渗透汗水。

图 | 电子贴片共分为四层,前三层为铜(Au)与 聚酰亚胺 (PI) 互连封装的电子模块 ,其中内嵌了温度、紫外线等多种传感器,最后一层为聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 粘合剂。每一层都被打孔,形成人造 “毛孔” 以防止汗液滞留在感应区。(来源:该论文)

让 “人造的” 像 “天生的” 一样贴合

不过这样一来,新的问题产生了:如果将这种简单的孔图案刻蚀在薄膜上,薄膜的伸缩延展性会降低,而且贴在皮肤上时很容易破裂。此时,剪纸艺术就派上了用场。

“如果你把一张纸包在一个球上,它肯定不会很贴合,”Kim 说,“但如果你参考剪纸图案,在纸上剪出一些形状,它就能够更加贴合。所以我们想,为什么不把孔用一些极细通道连接起来,让人造皮肤像剪纸一样贴合住真实皮肤?”

图 | “连孔成线” 之后,哑铃状的通道更透汗

遵循这一基本原理,该团队在薄膜上蚀刻出有呈哑铃形状分布的 “毛孔”(即在每个孔之间 “剪” 出一条通道),就会产生像剪纸般可拉伸的效果。其中内嵌的超薄半导体传感器阵列,则用于实时监测温度、水合作用、紫外线照射和机械应变等数据。

如此一来,电子皮肤就像人的皮肤一样,非常有弹性、柔软、还可渗透汗水。

图 | 精心雕刻后的薄膜不仅布满 “毛孔”,延展灵活性也大大提高(来源:EurekAlert!)

未来,Kim 团队还计划继续提高这款 “智能皮肤” 的强度和耐用性。虽然该贴片既能渗透汗水又高度贴合皮肤,但由于其类似于剪纸的图案,加上材料的超薄特点,使其在受到摩擦时显得非常脆弱。比如在前面的试验中,志愿者不得不在贴片周围戴上一个 “保护壳”,以免在淋浴或其他可能摩擦皮肤的情况下损坏它。

即便如此,这款防汗贴片或将是可持续性智能皮肤研究的又一次向前迈进。

参考资料:

https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabg8459

https://news.mit.edu/2020/flexible-electronics-stacks-chips-0205

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/miot-ss062621.php

https://youtu.be/5h6ER9RYazc

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