江南大学黄云鹏AM：透气湿粘附抗电磁干扰电子皮肤，实现复杂环境高保真生理监测

织物基电子皮肤（e-skin）因出色的透气性、柔性和生物相容性，成为可穿戴健康监测的理想选择。然而，透气性与粘附性之间的固有矛盾导致其在极端环境下界面阻抗升高、信号失真，尤其在汗湿或强电磁环境中难以维持稳定的皮肤-电极界面。传统水凝胶电子皮肤虽贴合性好，但透气性差且易脱水；织物基电子皮肤虽透气舒适，却因弱粘附性易产生运动伪影。此外，环境中电磁干扰（EMI）会严重削弱微弱的生理电信号（如心电、脑电），现有技术难以兼顾透气、粘附、EMI屏蔽与长期稳定性。

江南大学黄云鹏副教授团队开发了一种三明治结构的液态金属电子皮肤，通过海藻酸钠（SA）修饰的液态金属颗粒（SALMPs）墨水和多功能织物基底，首次同步实现高透气性（1439.1 g m⁻² day⁻¹）、强湿粘附力（2.1 J cm⁻²）及优异EMI屏蔽效能（X波段>50 dB）。该电子皮肤在汗湿和强电磁干扰环境下，可稳定采集心电图（ECG）、脑电图（EEG）、视觉诱发电位（VEP）和眼电图（EOG）等高保真生理信号，为复杂场景下的长期健康监测提供新范式。相关论文以“Permeable, Wet-Adhesive, and EMI-Resistant Liquid Metal Electronic Skin for High-Fidelity Electrophysiological Monitoring in Sweaty and Electromagnetic Environments”为题，发表在Advanced Materials上。

核心设计与材料创新

图1展示了电子皮肤的三层结构：底层为湿粘附性PAA-NHS纤维，通过氢键和共价键与皮肤结合；中间层为银纳米颗粒（Ag NPs）涂覆的SEBS纤维，构成微孔导电网络以屏蔽EMI；顶层为SA修饰的液态金属电路。这种设计兼顾透气性（微孔结构）、动态粘附（Ca²⁺离子交联增强稳定性）和EMI防护（反射主导的屏蔽机制）。液态金属墨水经SA包覆后，表面张力显著降低，接触角从135.2°降至30.1°，提升印刷精度和基底亲和力（图1d-e）。

图1 透气、湿粘附、抗EMI电子皮肤的设计与结构。 a) 电子皮肤整体结构、组成及应用示意图。 b) 三明治结构织物基底的截面显微图像。 c) 电子皮肤在汗湿手臂上的强粘附效果实物图。 d-e) 高分辨率SALMPs墨水在织物上丝网印刷的传感电路。

液态金属墨水改性关键

图2揭示了SA修饰液态金属颗粒的机制：机械剪切使镓铟共晶（EGaIn）形成微颗粒，SA通过氢键包覆氧化层，Ga³⁺离子与SA羧基发生离子交联，形成稳定核壳结构（图2a）。TEM和元素图谱证实SA均匀包覆（图2b-c）；XPS显示Ga 3d峰位移，证实SA与EGaIn的相互作用（图2d-f）；流变学优化后，SA与LMPs质量比2:1的墨水兼具印刷适性和导电性（图2j）。机械激活（辊压）可破坏SA壳层，使液态金属融合成连续电路（图2k-m），成功点亮26个LED并实现无线供电（图2o-q）。

图2 SALMPs的合成、表征及柔性电子应用。 a) 机械剪切与SA修饰形成SALMPs的示意图。 b-c) SALMPs的TEM图像及元素分布图。 d-f) SA、LMPs及SALMPs的XPS全谱、C 1s和Ga 3d谱。 g) SA与SALMPs的红外光谱。 h-i) SALMPs与LMPs在玻璃表面的动态接触角变化。 j) 不同样品的流变性能（黏度vs剪切速率）。 k-m) 机械激活前后SALMPs的形貌及元素分布。 n) 激活前后的拉曼光谱。 o) SALMPs电路点亮26个LED。 p-q) 基于SALMPs的无线供电系统示意图及实物图。

湿粘附与EMI屏蔽性能验证

图3证明PAA-Ag-SEBS基底具有超强湿粘附力：剥离强度达2.1 J cm⁻²，优于绝缘胶带（0.7 J cm⁻²）等商用产品（图3b-c）。其粘附机制依赖CaCl₂激活的离子交联，K₂CO₃溶液可实现无损伤剥离（图3e-f）。在运动出汗环境下（60分钟慢跑），粘附力仍保持1.0–1.4 J cm⁻²（图3k-l）。图4显示Ag/SEBS层的EMI屏蔽效能：X波段达53.2 dB，以电磁波反射为主（反射系数>0.8）。在汗液、摩擦和50%拉伸下，屏蔽效能仍超42.8 dB（图4d-h），宽频带（0.03–3 GHz）屏蔽达66.3 dB。

图3 电子皮肤的粘附性能。 a) PAA-Ag-SEBS织物剥离测试实物图。 b-c) 与商用胶带的粘附力对比。 d) 不同基底（玻璃、PET、皮肤、硅胶）上的剥离强度。 e-f) 皮肤粘附/解离机制示意图及实物演示。 g) 不同接触时间下的剥离强度。 h-i) 不同汗液量下的粘附强度。 j-l) 慢跑60分钟过程中的动态粘附性能。

图4 EMI屏蔽性能。 a) Ag/SEBS织物的EMI屏蔽机制。 b) 不同银镀层次数的屏蔽效能。 c) 功率系数（吸收A、反射R、透射T）。 d-h) 不同处理条件下的屏蔽效能及SEₜ、SEA、SER值。

高保真生理信号监测

图5对比了电子皮肤与商用电极在EMI和汗湿环境下的性能：商用电极在吹风机干扰下EEG信号出现50 Hz噪声（图5b），ECG波形严重失真（图5f）；而电子皮肤屏蔽干扰后，清晰捕捉到闭眼状态的α波（12 Hz）和ECG的P-QRS-T特征波（图5b, g）。跳绳运动后，商用电极因汗液脱落失效，电子皮肤仍稳定记录ECG（图5i-j），连续3天监测信噪比达12.8 ± 1.6 dB（图5k-l）。图6进一步展示其在视觉电生理监测的优势：VEP的P100波潜伏期和振幅与商用电极一致（图6d-f），EOG在明/暗环境下信号轮廓更清晰（图6k-l），Arden比（视网膜功能指标）处于正常范围。

图5 EMI与汗湿环境下的生理信号监测。 a) EEG电极位置。 b-c) 强EMI干扰下闭眼/睁眼状态的EEG信号及时频分析。 d) EEG信噪比（SNR）对比。 e) ECG监测电极布局。 f-h) EMI干扰下的ECG信号及时频分析。 i-k) 跳绳运动及连续3天ECG监测结果。

图6 VEP与EOG监测性能。 a-c) VEP检测示意图及电极位置。 d-f) 双眼VEP波形及振幅对比。 g) P-VEP信号响应时间识别准确率。 h-j) EOG记录机制及电极布局。 k-m) 商用与电子皮肤的EOG信号及Arden比。

应用前景

该研究通过结构创新与材料协同，解决了电子皮肤在透气性、粘附性和抗干扰能力间的长期矛盾。液态金属墨水的生物相容性修饰和三明治织物的功能集成，为复杂环境（如运动出汗、医疗EMI场景）提供稳定、高保真的生理监测平台。团队首次实现液态金属基电子皮肤对VEP和EOG的可靠记录，拓展了其在敏感生理信号检测中的应用，为下一代可穿戴医疗设备奠定基础。

来源：高分子科学前沿

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