上海
撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
可穿戴电子设备在促进健康和健身方面发挥着重要作用。长时间持续监测生理信号对于全面了解身体的整体健康状况、早期疾病预测、个性化治疗和改善慢性健康状况的管理至关重要。
近年来，可穿戴电子设备取得了许多突破性进展，但其在广泛使用和临床应用方面仍面临一些重要挑战，例如电子设备的渗透性差，导致在与皮肤接触处积聚汗水，这不仅影响用户体验，还会干扰信号收集质量和设备粘附性，进而阻碍了长时间精确的信号检测。
目前，对可穿戴电子设备的渗透性的研究远远落后于对其各种电子元件的研究和应用。在单个集成可穿戴电子设备系统中实现渗透性和多功能性仍然是一个巨大挑战。
2024年3月27日，香港中文大学于欣格团队在Nature期刊发表了题为：A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics 的研究论文。
该研究开发了一种具有极强的吸湿排汗效率的超级可穿戴柔性电子设备，该设备轻便、可伸缩，并且大幅提高了排汗效率，解决了可穿戴生物医学设备面临的最关键问题，可提供可靠的长达一周的持续稳定生命体征监测，而不会因出汗而引起不适感或导致信号失真/中断。
研究团队，右二为于欣格教授
为了解决当前可穿戴设备渗透性问题这一挑战，于欣格团队开发了一种从材料加工、器件架构和系统集成的角度出发的综合渗透性可穿戴电子设备开发方法，该方法基于一种自然启发的3D液体二极管（3D LD）配置，其表面结构能够促进液体在特定方向上的自发流动。
基于3D LD概念的集成系统级排汗可穿戴电子设备
于欣格教授表示，通过结合3D空间液体操纵技术，我们已经实现了完全集成的可渗透电子设备，其电路和功能与最先进的可穿戴设备相匹配，并实现了卓越的透气性。3D LD不依赖于独特的材料，而是在称为垂直液体二极管（VLD）的平面外排汗通道上方采用了称为水平液体二极管（HLD）的平面内液体传输层。
该研究创建的电子设备能够将汗水从皮肤向外单向泵出，最大流速为11.6 ml/cm 2 /min，是运动时生理出汗率的4000倍，从而确保了在出汗情况下也能进行持续稳定的监测，解决了设备-皮肤界面上汗液聚集导致的信号中断问题，实现了友好的、用户舒适性和稳定的信号监测和读取。
该设备具有轻、薄、柔性和可伸缩的特点，与人体的兼容性极佳，能够有效地贴附在皮肤上，保持设备和皮肤之间的舒适和稳定的连接，并提供高质量的信号。此外，该设备的可拆卸的设计确保了电子器件的可重复使用，从而提高了其可持续性和成本效益。
于欣格教授表示，这项研究结果为柔性、可渗透的可穿戴电子设备提供了液体操纵和系统集成策略。我们已经成功地将这种技术应用于先进的皮肤集成电子设备和纺织集成电子设备，实现了一周内的长时间可靠健康监测 。目前，该团队正在推进临床试验，进一步确认该技术在现实场景中的有效性。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07161-1
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