他，获《麻省理工科技评论》创新35人，发Nature！

研究背景

随着可穿戴电子技术的不断发展和普及，科学家对于能够在日常活动中持续监测生理信号的需求日益增加。这种技术的广泛应用可以实现早期疾病预测、自主诊断、个性化治疗以及慢性病管理等目标。然而，尽管在机械和电学特性方面取得了显著进展，但当前可穿戴电子设备在实际应用中仍面临一些挑战。其中一个主要问题是电子材料和设备的透气性不佳，导致在使用一定时间后，汗液在皮肤与设备之间积聚，影响了用户的舒适度和信号采集质量。

为了解决这一问题，科学家们开始探索制造具有良好透气性的可穿戴电子设备。然而，现有的透气电子设备大多仅包含简单的功能组件，如电极、传感器等，而不具备高度集成和多功能性，无法满足实际应用的需求。

成果简介

有鉴于此，香港城市大学于欣格教授团队等人于Nature期刊发表题为A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics的最新研究成果。本研究提出了一种基于三维液体二极管（3D LD）的集成透气可穿戴电子的方法。与现有设计不同，这项研究利用水平液体二极管（HLD）和垂直液体二极管（VLD）结合的方式，构建了一种具有良好透气性的电子设备平台。通过这种结构，研究人员成功地实现了高性能可穿戴电子的直接集成，并且能够有效地排出汗液，不影响汗液的自然排出过程。

图文导读

图1展示了透气电子相比传统柔性电子的优势以及透气电子的结构和性能。在图1a中，左侧展示了传统柔性电子，右侧展示了透气电子。透气设计使得电子设备具有增强的透气性和汗液排出功能，从而提高了信号稳定性、附着强度和佩戴舒适度。在图1b中，展示了集成系统级透气电子的示意图，包括透气电极、3D LD和柔性电路板。通过3D LD，汗液可以通过电极、VLD和HLD的单向传输，实现汗液的持续传输，同时防止回流。

在图1c中，显示了运动前后由商业电极和透气电极记录的心电图信号。结果显示，透气电极具有更好的信号稳定性。在图1d中，显示了运动前后电极-皮肤界面附着强度评估结果。透气电极具有更高的附着强度，表明其在运动条件下具有更好的稳定性。在图1e中，展示了不同电极佩戴3天后的皮肤刺激评估结果。透气电极对皮肤的刺激更小，表明其具有更好的佩戴舒适性。在图1f中，显示了透气皮肤集成和基于纺织品的电子设备，进一步展示了透气电子在增强舒适度和长期监测方面的应用潜力。综上所述，图1展示了基于3D LD概念的集成透气可穿戴电子系统的设计原理和性能优势，为实现更舒适、稳定的可穿戴电子设备提供了重要参考。

图1. 基于3D LD概念的集成系统级透汗可穿戴电子产品

为了展示透气电极和VLD的特性，研究者在图2首先展示了3D LD的横截面表示，说明了单向汗液传输的机制。透气电极的设计利于在汗液孔上方形成开放通道，维持与指尖的稳定紧密接触，而汗液在开放通道内的渗透表现出汗液瓦解的特征。VLD则展示了单向汗液传输的机制，通过单个通道进行反重力汗液传输。在VLD的设计中，研究者通过调整处理条件，实现了高汗液传输速率和小的亲水区域，以最大程度地提高排汗效率。此外，对VLD的透气性和稳定性进行了评估，结果显示VLD具有良好的透气性和稳定性。

图2. 渗透性电极和 VLD 的特性

HLD和3D LD的特征化揭示了这些关键组件在汗液排放系统中的作用。首先，HLD通过精心设计的梯度亲水微柱实现了单向排汗的能力，同时采用交叉形支撑结构保护微柱免受损坏，并通过有限元分析验证了其机械稳定性。实验结果显示，在优化参数下，HLD具有良好的汗液传输性能，可在不同的变形条件下维持稳定的传输。其次，针对PDMS的固有疏水性，研究人员采用PVA/SiO2复合涂层对其进行超亲水处理，实现了长期的耐久性超亲水性。超亲水涂层的PDMS表现出了良好的汗液传输率，尤其在汗液润湿表面后，传输率显著增加。此外，微柱高度和直径被认为是影响传输率的关键因素，经过参数优化后，HLD展现出了稳定的传输能力和良好的结构稳定性。

对于3D LD的特征化，研究人员通过插入环形PET织物实现了与VLD和HLD的集成，形成了汗液排放系统的整体结构。有限元分析模拟进一步证实了3D LD在汗液传输方面的高效性。实验结果显示，与PDMS基底相比，3D LD表现出更优异的透气性和汗液渗透性，维持了与人工皮肤的完全贴合。此外，细胞毒性评估结果表明，3D LD具有良好的生物相容性，可安全用于皮肤接触应用。

图3. HLD 和 3D LD 的特性

图4展示了对汗液管理对穿戴舒适性和设备性能的评估。首先，为了了解不同贴片在运动时的附着力，研究者进行了附着力测试。商用ECG电极、PDMS薄膜、VLD和3D LD等四种贴片被粘贴在测试对象的皮肤上，经过30分钟的测试后观察到商用ECG和PDMS贴片脱落，而VLD和3D LD保持牢固粘附（见图a）。进一步的测试发现，贴片的附着强度与透气性和柔软性呈正相关（见图b）。

接着，研究者进行了长时间佩戴测试，将不同贴片贴在受试者的前臂上进行了连续3天的使用。结果显示，佩戴VLD和3D LD贴片的皮肤没有发生明显的刺激或炎症，而商用ECG和PDMS贴片导致皮肤发生明显的红斑（见图c）。此外，VLD和3D LD的优异透气性使得它们在12小时的佩戴期间获得了最长的佩戴时间，表现出卓越的佩戴舒适性能力（见图d和e）。

最后，研究者评估了汗液积累对生物信号采集的影响，使用了三种类型的电极进行测试。结果显示，在运动后商用ECG和基于PDMS的电极的信噪比明显降低，而3D LD电极在运动前后都能提供稳定的皮肤-电极阻抗和ECG信号（见图h和i）。

图4. 水分管理对穿着舒适度和设备性能的评估

图5中展示了3D LD技术在两种可穿戴电子设备中的应用：一种是薄而柔软的心电监测系统，另一种是纺织品集成的天气站。心电监测系统采用可拆卸设计，由两个关键部分组成：蒸汽/汗液释放基底和柔软的电路层。基底厚度为0.65mm，重量为1.05g，具有良好的弯曲刚度和弹性模量。电路层厚度为2.1mm，包括电池在内的重量为1.55g。通过垂直互连通道，皮肤电极与电子连接器相连，确保了在各种变形条件下的稳定功能。将设备固定在受试者的胸部，通过无线传输将心电数据发送到智能手机。与传统的有线连接型设备相比，该设备表现出更佳的心电读数，且具有更好的穿戴舒适性和运动稳定性。另一方面，纺织品集成的天气站是一种无电池、柔软、透气、多功能和无线的设备，能够监测温度、湿度、紫外线指数、大气压力和海拔高度。通过近场通信技术，可以将天气数据传输到移动设备上。这些集成系统级的透气可穿戴电子设备展示了3D LD技术的通用性和可扩展性，为可穿戴电子技术的发展提供了新的可能性。

这些创新的应用为用户提供了更加舒适和便捷的可穿戴电子产品选择，同时保持了高水平的功能性和性能稳定性。通过3D LD技术，这些设备实现了良好的湿透性和透气性，可以有效释放汗液蒸汽，从而减少了对皮肤的不适感和潮湿感。同时，设备的柔软性和可伸缩性确保了与人体的良好贴合度，使得用户可以在日常活动和运动中自如地使用这些设备。此外，这些设备还具有较低的重量和较小的体积，不会给用户带来额外的负担或不便。通过实时监测心电数据和环境参数，这些设备还可以帮助用户更好地了解自身的健康状况和周围环境的变化，为健康管理和户外活动提供了有力的支持。

图5. 透气、透汗的皮肤集成和纺织电子产品

结论与展望

本文展示了一种创新的3D LD技术，通过整合系统级湿透性，实现了超越人体排汗速率三个数量级的性能，从而为医疗监测可穿戴设备提供了新的解决方案。这项技术的科学启迪在于其突破了传统医疗监测设备在湿润环境下的局限性，为人体皮肤和电子设备之间的稳定交互提供了创新的解决方案。通过综合的用户研究，科学家们展示了3D LD技术在维持舒适的皮肤-设备界面方面的卓越性能，以及其在减少运动伪影和提供可靠信号方面的优势。

这项技术的成功应用为未来开发更加智能、连续和可穿戴的医疗监测设备提供了重要的启示，激发了对于可穿戴技术的进一步创新和改进。此外，通过不断优化功能材料、设备结构和制造技术，以及引入可清洗和可恢复的背胶，将有助于提高设备的性能和可持续性，从而推动这一领域的发展。这项研究对于医疗监测设备的未来发展具有重要的科学启示，有望为实现更加智能、舒适和可靠的医疗监测提供关键的技术支持。

作者简介

于欣格 (Xinge Yu)，香港青年科学院院士。香港城市大学生物医学工程系副教授、博导，香港城大-中科院机器人联合实验室副主任，香港心脑血管健康工程研究中心协理副主任。2023香港RGC Research Fellow 获得者。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（港澳）。《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。《Microsystems & Nanoengineering》、《Bio-Design and Manufacturing》等10余部期刊的副主编和编委。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域以及智能触觉VR中的应用。在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering等期刊发表论文160余篇。

文献信息

Zhang, B., Li, J., Zhou, J. et al. A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07161-1

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他，获《麻省理工科技评论》创新35人，发Nature！

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