麻省理工学院的工程师和韩国的研究人员开发出一种能排汗的“电子皮肤”——一种可适形的传感器嵌入的粘性贴片，它可以监测人体健康，即使佩戴者出汗时也不会出现故障或脱落。
这个贴片上有人工汗管的图案，类似于人体皮肤的毛孔，研究人员将这些材料的超薄层蚀刻出来。毛孔以一种类似于日本剪纸艺术的方式在贴片上穿孔。设计确保汗液能通过贴片逃逸，防止皮肤刺激和对嵌入式传感器造成损坏。
设计也有助于贴片在拉伸和弯曲时与人体皮肤保持一致。这种灵活性，再加上这种材料的抗汗能力，使得它能够长时间监测一个人的健康状况，这在以前的“电子皮肤”设计中是不可能做到的。这项研究结果发表在今天的《Science Advances》杂志上，是朝着长时间使用智能皮肤迈出的一步，这种皮肤可以追踪每天的生命体征或皮肤癌和其他疾病的进展。
麻省理工学院机械工程系副教授Jeehwan Kim说：“有了这种舒适、透气的皮肤贴片，就不会有任何汗水积聚、错误信息或皮肤脱落。我们可以提供可穿戴的传感器，可以进行持续的长期监测。”
汗流浃背的障碍
柔性半导体薄膜。研究人员开创了一种叫做远程外延的技术，它涉及在高温下在晶片上生长超薄、高质量的半导体薄膜，并选择性地剥落薄膜，然后它们可以结合和堆叠，形成比传统晶圆设计薄得多、更灵活的传感器。
化妆品公司Amorepacific有意开发薄的可穿戴胶带，以持续监测皮肤的变化。该公司与Kim达成合作，将该集团的柔性半导体薄膜打造成可以长时间佩戴的产品。
但该团队很快就遇到了其他电子皮肤设计尚未清除的障碍：汗液。大多数实验设计将传感器嵌入粘性的聚合物基材料中，这些材料透气性不高。其他的设计，由编织的纳米纤维制成，可以让空气通过，但不能让汗液通过。如果一个电子皮肤要长期工作，Kin意识到它不仅要能渗透蒸汽，而且还需要排汗。
“汗水会在电子皮肤和皮肤之间积聚，这可能会导致皮肤损伤和传感器故障，”Kim说。“因此，我们试图同时解决这两个问题，通过让汗水渗透到电子皮肤。”
为了获得设计灵感，研究人员们关注人体汗液毛孔。他们发现，平均毛孔直径约为100微米，毛孔随机分布于整个皮肤。他们进行了一些初步的模拟，以了解它们如何覆盖和排列人工毛孔，这样就不会阻塞人体皮肤中的实际毛孔。
他们从一个周期性的洞开始，每个洞的大小都和实际的汗孔差不多。他们发现，如果毛孔紧密地分布在一起，距离小于平均毛孔直径，那么整个图案将有效地渗透到汗液中。但他们也发现，如果这种简单的孔纹被薄膜蚀刻，那么薄膜就不太可拉伸，涂抹到皮肤上很容易断裂。
研究人员发现，他们可以通过在每个洞之间切割细通道来增加洞型的强度和灵活性，创造一个重复哑铃的模式，而不是简单的洞，从而放松压力而不是集中在一个地方。这种图案在蚀刻到材料中时，产生了可拉伸的剪纸艺术样效果。
“如果你把一张纸包在一个球上，那就不符合要求，但如果你在纸上剪一个kirigami图案（川本喜八郎立体折纸），它就可以符合。所以我们想，为什么不把洞和切口连接起来，让皮肤上有kirigami一样的相容性呢？同时我们可以渗透汗水。”
根据这一原理，研究小组从多个功能层制作了一个电子皮肤，每个层都刻有哑铃图案的毛孔。皮肤层包括一个超薄半导体阵列传感器阵列，用于监测温度、水分、紫外线照射和机械应变。这种传感器阵列夹在两层保护膜之间，所有保护膜都覆盖有粘性聚合物粘合剂。
研究人员通过将电子皮肤贴在志愿者的手腕和额头上进行测试。这个志愿者连续戴了一个多星期。在整个过程中，新的e-skin可靠地测量了他的体温、水合水平、紫外线照射和脉搏，甚至在出汗的活动中，比如在跑步机上跑30分钟，吃一顿辛辣的饭。
研究小组的设计也符合皮肤，当志愿者被要求反复皱眉，同时大量出汗时，牢牢贴在他的额头上，而其他电子皮肤设计缺乏汗液渗透性，很容易脱离皮肤。
Kim计划提高设计的强度和耐用性。虽然这种胶带具有透气性和高度舒适性，但由于它的kirigami图案，正是这种图案，再加上胶带的超薄形式，使得它非常容易被磨破。结果，志愿者们不得不在胶带周围戴上一个保护套，以便在淋浴等活动中保护胶带。
我们的下个目标是提高电子皮肤的弹性。