基于静电纺丝自组装微金字塔阵列的贴肤传感器

据麦姆斯咨询报道，近日，由南京大学、河海大学、山西省人民医院、内蒙古科技大学的研究人员组成的团队在电子皮肤领域取得重要进展，通过基于湿式异质结构带电射流的自组装技术，该团队构建了超薄、超轻、透气的多功能静电纺丝微金字塔阵列（EMPA），在此基础上研制了高灵敏度和快速响应的EMPA压容-摩擦电复合传感器，该研究工作为开发具有出色性能和无感式下一代贴合皮肤（on-skin）器件提供了一种通用且可升级的策略，满足了贴合皮肤器件在诸多场景中严苛的应用需求。

图1 静电纺丝微金字塔阵列（EMPA）的材料结构设计

贴合皮肤器件是指附着在人体皮肤上的功能性贴片或织物，可用于检测生理和动作信号，预防身体受伤，将生物能量转换为电能等。这些器件在医疗保健、行为监测、个人防护、自供电电子器件和人机交互方面显示出巨大的应用潜力。随着这些领域的飞速发展，贴合皮肤器件被进一步要求在减少感官干扰的情况下实现舒适的长期使用，甚至有望在自然状态下检测动作和触摸，并将触觉损失降至最低，以实现更复杂的应用，例如机器学习工匠技能和恢复肢体功能等。因此，人们非常重视开发各种贴合皮肤器件，这些器件不仅可以避免给人体皮肤带来不适，还可以将对正常触觉的干扰降至最低。

最近，Someya团队提出，超薄、超轻、透气的薄膜是无感式贴合皮肤器件的理想候选材料。受限于现有技术，特别是静电纺丝的随机沉积方式，已报道的无感式薄膜的功能表面为平面。由于平面的光学、热学、力学和电学特性较差，因此很难赋予无感式贴合皮肤器件以优异的性能，从而限制了其在许多领域的应用。

相比之下，具有梯度几何形状的三维（3D）微结构阵列，例如微金字塔、微锥、微半球和微棱镜阵列等，在开发高性能器件方面具有优势，原因是它们的梯度空间填充、梯度应力分布和梯度折射率等固有特性有利于调节力、热、光和电。然而，现有的3D微阵列加工技术（如光刻和3D打印）无法同时实现高透气性、超薄厚度、超轻重量和梯度几何形状。因此，开发新型微结构，提高无感式器件的性能成为相关领域科学家所面临的重大挑战。

在本论文中，作者们通过静电纺丝自组装构建了独特的超薄、超轻、透气的EMPA，从而赋予无感式贴合皮肤器件在各种应用中具有出色的性能（图2）。一系列湿式异质结构带电射流可以被组装成由各种材料制成的结构可设计的EMPA。受益于灵活的可设计性，EMPA的最佳光学、热学、机械和电学特性被充分开发利用，以实现应用于日间辐射制冷、压力传感和生物力学能量收集的无感式贴合皮肤器件的出色性能。

基于EMPA的辐射制冷织物（薄至47µm）具有较高的可见光-近红外（VIS-NIR）反射率（97.9%）和中红外（MIR）发射率（76.3%），在一个标准太阳光强度（1kW/m²）下，可以将皮肤周围的温度降低约4℃，并且提供长期的舒适性。此外，所研制的EMPA压容-摩擦电复合传感器兼具高灵敏度和快速响应时间，灵敏度达到19kPa⁻¹、检出限低至0.05Pa、响应时间快至0.8ms，这些优点使其可以检测到极微弱的指尖脉冲，以用于在宽频范围内监测手指自然操作的健康诊断。具有高摩擦电和压电输出（105.1µCm⁻²）的EMPA纳米发电机实现了高效率的生物机械能收集。

值得注意的是，通过优化EMPA的材料和结构，研究人员可以进一步提高和拓宽其性能和应用领域。综上所述，这项研究工作为组装此类多功能EMPA奠定了基础，并为贴合皮肤器件在有效的个人防护和医疗保健、高灵敏度传感、高功率自供电电子器件以及最小感官干扰的人机交互等方面的应用提供了众多机遇。

图2 基于EMPA的贴合皮肤器件的无感性评估

图3 EMPA电特性及其在高灵敏度压力传感和高效生物能量收集中的应用

审核编辑：刘清