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研究背景
隨著可穿戴電子技術的發展和人們對健康監測需求的增加，持續監測生理信號的重要性日益凸顯。這種監測能夠為個體提供全面的健康狀態信息，包括早期疾病預測、自主診斷、個性化治療以及慢性疾病管理等方面的支持。然而，目前可穿戴電子設備在實際應用中仍然面臨一些挑戰，其中之一是電子材料和設備的透氣性不足，導致在佩戴一段時間后汗液在皮膚與設備接觸處積聚。這不僅給用戶帶來了不適，還會降低信號采集的準確性和設備的附著性能。為了解決這一問題，科學家們進行了一系列研究探索如何實現透氣的可穿戴電子設備。傳統的解決方案主要依賴于超薄、多孔、納米纖維等結構，以實現氣體、蒸氣和汗液的排出。然而，這些方法大多局限于簡單的電極、傳感器等功能，難以實現高級別的集成和多功能性。鑒于此，香港城市大學于欣格教授課題組提出了基于三維液體二極管（3D LD）概念的新型方法。與傳統方法不同的是，3D LD不依賴于特殊的材料，而是采用了水平液體二極管（HLD）和垂直液體二極管（VLD）相結合的設計。這種結構既能實現汗液的快速排出，又能保持設備的透氣性。通過這種方法，作者不僅能夠實現高性能的集成可穿戴電子設備，還能夠在長時間佩戴過程中提供更為舒適和穩定的監測體驗。以上成果于Nature期刊發表題為A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics的研究論文。本研究填補了透氣性可穿戴電子設備領域的空白，為實現高水平集成和多功能性提供了新的解決方案。
研究內容
為了解決可穿戴電子設備在長時間使用中由于汗液積累導致的舒適度降低和信號質量惡化問題，研究者提出了一種基于3D LD概念的集成系統級透氣可穿戴電子技術。如圖1所示，這項技術主要通過以下幾個方面體現其創新性和效果：首先，圖1a對比了傳統柔性電子與新開發的透氣電子，突出了透氣設計在增強透氣性、排汗能力、信號穩定性、附著力和穿戴舒適度方面的優勢。其次，圖1b通過示意圖清晰展示了集成系統級透氣電子的結構，包括透氣電極、3D LD和柔性電路板。該設計利用水平液體二極管（HLD）和垂直液體二極管（VLD）的結合，實現了汗液的有效路徑導引和排放，確保了設備在激烈運動過程中的穩定性和舒適性。
進一步地，圖1c展示了使用商業電極和新型透氣電極前后的心電圖（ECG）信號對比，證明了透氣電極在運動后能夠保持更穩定的信號質量。圖1d中的數據顯示，在進行20分鐘籃球運動后，新型透氣電極與皮膚的附著強度較之前有顯著提高，這意味著即使在劇烈運動中，電極也能牢固地附著在皮膚上，減少脫落風險。最后，圖1e通過對不同電極經過3天穿戴后的皮膚刺激評估，進一步證實了新型透氣電極在長期穿戴中對皮膚的友好性，減少了皮膚刺激和不適。圖1f描繪了基于3D LD技術的透氣皮膚集成和基于紡織品的電子設備，展現了其在增強長期監測舒適度和可行性方面的潛力。
圖1. 基于3D?LD概念的集成系統級透汗可穿戴電子產品圖2展示了透氣電極和VLD的設計與特征化結果，為集成透氣可穿戴電子系統的實現提供了重要參考。具體來說，圖2a展示了3D?LD的橫截面表示，揭示了汗液從皮膚-設備界面到出口的單向傳輸。透氣電極設計有利于形成開放通道，以確保在汗液條件下與指尖保持穩定緊密接觸。
實驗結果表明，透氣電極維持了與指尖的穩定緊密接觸，并且汗液可以在開放通道內瓦解。VLD通過單個通道實現了反重力汗液傳輸，并在不同處理條件下評估了汗液傳輸速率和親水區域的大小。研究者還對VLD的透氣性和穩定性進行了評估，結果顯示VLD具有良好的透氣性和穩定性。
在圖3中，研究人員對水平液體傳輸層（HLD）和三維液體傳輸層（3D?LD）進行了特征化。HLD的設計旨在實現單向汗液傳輸，其關鍵在于精心設計的梯度親水微柱。這些微柱表面涂覆了超親水材料，保證了長期耐久性親水性。實驗和有限元分析結果表明，交叉形支撐結構可以保護微柱免受垂直壓力的損壞，并且支撐結構的高度和微柱之間的間隔會影響HLD的透氣性和傳輸率。另外，PDMS作為HLD的基材，其固有的疏水性阻礙了液體傳輸，但通過PVA/SiO2復合涂層處理后，PDMS表面實現了超親水性，從而提高了傳輸效率。通過優化微柱高度和直徑等參數，研究人員實現了HLD的穩定傳輸能力。
對于3D?LD，研究人員利用含有水平液體傳輸層和垂直液體傳輸層的環形PET織物，實現了從皮膚到指定出口的汗液傳輸。有限元分析模擬證實了3D?LD的高效性，實驗結果表明，與最常用的PDMS基材相比，3D?LD具有更好的氣體和汗液透過性能。此外，實驗結果還顯示，3D?LD在各種變形下均保持著穩定的汗液傳輸能力。
在圖4中評估了不同可穿戴設備/基板對佩戴舒適性和設備性能的影響，研究者進行了用戶研究，其中包括附著力測試、皮膚熱舒適性評估以及設備收集信號質量的比較。首先，在附著力測試中，研究者將四種不同類型的貼片分別附著在受試者的皮膚上，進行了各種體育活動，并觀察了貼片的狀態。結果顯示，在30分鐘的測試期間，商用心電圖（ECG）和PDMS貼片脫落，而VLD和3D LD貼片保持牢固粘附，表明VLD和3D LD具有較好的附著力，且與體育活動下的皮膚兼容性較好。接下來，研究者進行了長時間佩戴測試，將不同貼片貼在受試者的前臂上進行了連續3天的使用。結果顯示，VLD和3D LD貼片對皮膚沒有引起刺激或炎癥，而商用ECG和PDMS貼片導致了皮膚發生了紅斑，說明VLD和3D LD對皮膚更為友好。此外，研究者進行了一項用戶測試，評估了不同貼片對佩戴舒適性的影響。結果表明，VLD和3D LD的透氣性和汗液透過性更好，佩戴時間更長，為用戶提供了更好的佩戴體驗。
最后，研究者評估了不同電極在汗液積累下對生物信號采集的影響。結果顯示，商用ECG和PDMS電極的信號噪音比隨著時間的推移而增加，而3D LD電極在運動前后均保持穩定的信號質量，表明3D LD具有較好的濕透性和穩定性，能夠有效提高生物信號采集的質量。
研究者展示了他們的研究成果在兩種典型可穿戴電子設備中的應用：一種是心電監測系統，另一種是紡織品集成的天氣站。圖5中展示了這兩種設備的構造和工作原理。心電監測系統采用了可拆卸設計，包括蒸汽/汗液釋放基底和柔軟、防水的電路層。通過垂直互連通道連接皮膚電極和電子連接器，確保了在各種變形條件下的穩定功能。該系統可以無線傳輸心電數據到智能手機，同時具有優越的舒適性和穩定性，且在活動中表現出色，其優勢在于低重量、柔軟設計和強附著力。另外，紡織品集成的天氣站能夠監測多種氣象參數，如溫度、濕度、紫外線指數、大氣壓力和海拔高度。通過近場通信技術，天氣數據可以實時傳輸到移動設備，這種設備具有無電池、柔軟、透氣、多功能和無線的特點。這些集成系統級的透氣可穿戴電子設備展示了研究成果的廣泛應用性和可擴展性。
通過圖5，作者可以清晰地了解這些設備的設計和功能。心電監測系統（圖5a）展示了蒸汽/汗液釋放基底和柔軟電路層的結構，以及它們之間通過磁耦合方法連接的機制。而紡織品集成的天氣站（圖5b）展示了其集成在T恤上的結構，包括各種傳感器和無線通信模塊。這些設備的作用是實現舒適、穩定的數據采集和傳輸，以及監測人體生理參數和環境氣象參數，為用戶提供可靠的健康和環境信息。
總結展望
本文揭示了3D LD技術在集成系統級濕透性方面的突破，為開發舒適、連續的醫療監測設備提供了新的思路。通過優化材料和設備結構，以及引入先進的制造技術，作者能夠實現超過人體排汗率三個數量級的濕透性，從而為用戶提供穩定、舒適的穿戴體驗。這一技術不僅有望推動醫療監測領域的發展，還為智能穿戴設備的設計和制造帶來了新的可能性。通過減少運動偽影和提供可靠的信號輸出，作者展示了3D LD技術在長期使用中的可靠性和可操作性，為醫療監測設備的實際應用提供了重要的科學基礎。此外，作者的研究還啟示了在智能穿戴領域尋求舒適性和功能性之間的平衡，以及在設計中考慮用戶體驗的重要性。因此，本研究為未來的智能穿戴設備開發提供了有價值的科學啟示，為作者構建更智能、更貼近用戶需求的醫療監測解決方案指明了方向。 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
