特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。
研究背景
随着可穿戴电子技术的发展和人们对健康监测需求的增加，持续监测生理信号的重要性日益凸显。这种监测能够为个体提供全面的健康状态信息，包括早期疾病预测、自主诊断、个性化治疗以及慢性疾病管理等方面的支持。然而，目前可穿戴电子设备在实际应用中仍然面临一些挑战，其中之一是电子材料和设备的透气性不足，导致在佩戴一段时间后汗液在皮肤与设备接触处积聚。这不仅给用户带来了不适，还会降低信号采集的准确性和设备的附着性能。为了解决这一问题，科学家们进行了一系列研究探索如何实现透气的可穿戴电子设备。传统的解决方案主要依赖于超薄、多孔、纳米纤维等结构，以实现气体、蒸气和汗液的排出。然而，这些方法大多局限于简单的电极、传感器等功能，难以实现高级别的集成和多功能性。鉴于此，香港城市大学于欣格教授课题组提出了基于三维液体二极管（3D LD）概念的新型方法。与传统方法不同的是，3D LD不依赖于特殊的材料，而是采用了水平液体二极管（HLD）和垂直液体二极管（VLD）相结合的设计。这种结构既能实现汗液的快速排出，又能保持设备的透气性。通过这种方法，作者不仅能够实现高性能的集成可穿戴电子设备，还能够在长时间佩戴过程中提供更为舒适和稳定的监测体验。以上成果于Nature期刊发表题为A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics的研究论文。本研究填补了透气性可穿戴电子设备领域的空白，为实现高水平集成和多功能性提供了新的解决方案。
研究内容
为了解决可穿戴电子设备在长时间使用中由于汗液积累导致的舒适度降低和信号质量恶化问题，研究者提出了一种基于3D LD概念的集成系统级透气可穿戴电子技术。如图1所示，这项技术主要通过以下几个方面体现其创新性和效果：首先，图1a对比了传统柔性电子与新开发的透气电子，突出了透气设计在增强透气性、排汗能力、信号稳定性、附着力和穿戴舒适度方面的优势。其次，图1b通过示意图清晰展示了集成系统级透气电子的结构，包括透气电极、3D LD和柔性电路板。该设计利用水平液体二极管（HLD）和垂直液体二极管（VLD）的结合，实现了汗液的有效路径导引和排放，确保了设备在激烈运动过程中的稳定性和舒适性。
进一步地，图1c展示了使用商业电极和新型透气电极前后的心电图（ECG）信号对比，证明了透气电极在运动后能够保持更稳定的信号质量。图1d中的数据显示，在进行20分钟篮球运动后，新型透气电极与皮肤的附着强度较之前有显著提高，这意味着即使在剧烈运动中，电极也能牢固地附着在皮肤上，减少脱落风险。最后，图1e通过对不同电极经过3天穿戴后的皮肤刺激评估，进一步证实了新型透气电极在长期穿戴中对皮肤的友好性，减少了皮肤刺激和不适。图1f描绘了基于3D LD技术的透气皮肤集成和基于纺织品的电子设备，展现了其在增强长期监测舒适度和可行性方面的潜力。
图1. 基于3D LD概念的集成系统级透汗可穿戴电子产品图2展示了透气电极和VLD的设计与特征化结果，为集成透气可穿戴电子系统的实现提供了重要参考。具体来说，图2a展示了3D LD的横截面表示，揭示了汗液从皮肤-设备界面到出口的单向传输。透气电极设计有利于形成开放通道，以确保在汗液条件下与指尖保持稳定紧密接触。
实验结果表明，透气电极维持了与指尖的稳定紧密接触，并且汗液可以在开放通道内瓦解。VLD通过单个通道实现了反重力汗液传输，并在不同处理条件下评估了汗液传输速率和亲水区域的大小。研究者还对VLD的透气性和稳定性进行了评估，结果显示VLD具有良好的透气性和稳定性。
在图3中，研究人员对水平液体传输层（HLD）和三维液体传输层（3D LD）进行了特征化。HLD的设计旨在实现单向汗液传输，其关键在于精心设计的梯度亲水微柱。这些微柱表面涂覆了超亲水材料，保证了长期耐久性亲水性。实验和有限元分析结果表明，交叉形支撑结构可以保护微柱免受垂直压力的损坏，并且支撑结构的高度和微柱之间的间隔会影响HLD的透气性和传输率。另外，PDMS作为HLD的基材，其固有的疏水性阻碍了液体传输，但通过PVA/SiO2复合涂层处理后，PDMS表面实现了超亲水性，从而提高了传输效率。通过优化微柱高度和直径等参数，研究人员实现了HLD的稳定传输能力。
对于3D LD，研究人员利用含有水平液体传输层和垂直液体传输层的环形PET织物，实现了从皮肤到指定出口的汗液传输。有限元分析模拟证实了3D LD的高效性，实验结果表明，与最常用的PDMS基材相比，3D LD具有更好的气体和汗液透过性能。此外，实验结果还显示，3D LD在各种变形下均保持着稳定的汗液传输能力。
在图4中评估了不同可穿戴设备/基板对佩戴舒适性和设备性能的影响，研究者进行了用户研究，其中包括附着力测试、皮肤热舒适性评估以及设备收集信号质量的比较。首先，在附着力测试中，研究者将四种不同类型的贴片分别附着在受试者的皮肤上，进行了各种体育活动，并观察了贴片的状态。结果显示，在30分钟的测试期间，商用心电图（ECG）和PDMS贴片脱落，而VLD和3D LD贴片保持牢固粘附，表明VLD和3D LD具有较好的附着力，且与体育活动下的皮肤兼容性较好。接下来，研究者进行了长时间佩戴测试，将不同贴片贴在受试者的前臂上进行了连续3天的使用。结果显示，VLD和3D LD贴片对皮肤没有引起刺激或炎症，而商用ECG和PDMS贴片导致了皮肤发生了红斑，说明VLD和3D LD对皮肤更为友好。此外，研究者进行了一项用户测试，评估了不同贴片对佩戴舒适性的影响。结果表明，VLD和3D LD的透气性和汗液透过性更好，佩戴时间更长，为用户提供了更好的佩戴体验。
最后，研究者评估了不同电极在汗液积累下对生物信号采集的影响。结果显示，商用ECG和PDMS电极的信号噪音比随着时间的推移而增加，而3D LD电极在运动前后均保持稳定的信号质量，表明3D LD具有较好的湿透性和稳定性，能够有效提高生物信号采集的质量。
研究者展示了他们的研究成果在两种典型可穿戴电子设备中的应用：一种是心电监测系统，另一种是纺织品集成的天气站。图5中展示了这两种设备的构造和工作原理。心电监测系统采用了可拆卸设计，包括蒸汽/汗液释放基底和柔软、防水的电路层。通过垂直互连通道连接皮肤电极和电子连接器，确保了在各种变形条件下的稳定功能。该系统可以无线传输心电数据到智能手机，同时具有优越的舒适性和稳定性，且在活动中表现出色，其优势在于低重量、柔软设计和强附着力。另外，纺织品集成的天气站能够监测多种气象参数，如温度、湿度、紫外线指数、大气压力和海拔高度。通过近场通信技术，天气数据可以实时传输到移动设备，这种设备具有无电池、柔软、透气、多功能和无线的特点。这些集成系统级的透气可穿戴电子设备展示了研究成果的广泛应用性和可扩展性。
通过图5，作者可以清晰地了解这些设备的设计和功能。心电监测系统（图5a）展示了蒸汽/汗液释放基底和柔软电路层的结构，以及它们之间通过磁耦合方法连接的机制。而纺织品集成的天气站（图5b）展示了其集成在T恤上的结构，包括各种传感器和无线通信模块。这些设备的作用是实现舒适、稳定的数据采集和传输，以及监测人体生理参数和环境气象参数，为用户提供可靠的健康和环境信息。
总结展望
本文揭示了3D LD技术在集成系统级湿透性方面的突破，为开发舒适、连续的医疗监测设备提供了新的思路。通过优化材料和设备结构，以及引入先进的制造技术，作者能够实现超过人体排汗率三个数量级的湿透性，从而为用户提供稳定、舒适的穿戴体验。这一技术不仅有望推动医疗监测领域的发展，还为智能穿戴设备的设计和制造带来了新的可能性。通过减少运动伪影和提供可靠的信号输出，作者展示了3D LD技术在长期使用中的可靠性和可操作性，为医疗监测设备的实际应用提供了重要的科学基础。此外，作者的研究还启示了在智能穿戴领域寻求舒适性和功能性之间的平衡，以及在设计中考虑用户体验的重要性。因此，本研究为未来的智能穿戴设备开发提供了有价值的科学启示，为作者构建更智能、更贴近用户需求的医疗监测解决方案指明了方向。 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
