Small Structures :用于可穿戴和皮肤电子器件的透气导

柔性可拉伸电子产品近年来在可穿戴设备、电子皮肤、软体机器人和植入式生物电子等领域广泛应用,引起了极大的关注。柔性可拉伸导体指可以弯曲、折叠、扭曲、甚至可以拉伸变形且仍能保持可靠性的一类导体,是构建柔性可拉伸电子器件和系统不可或缺的组成部分。迄今为止,研究者们在柔性可拉伸导体的导电性、柔性以及稳定性等性能的提升上取得了巨大的突破,然而该类导体和器件的穿戴舒适性长期被忽略。

从生理舒适性的角度而言,应用于皮肤表面的导体和器件需要提供一个能够不影响皮肤透气透湿的微环境。长期佩戴对空气和水分不具有通透性的电子器件会影响人体皮肤与外界环境的交互;汗液的聚集会引起佩戴者的不适,甚至会进一步导致皮肤过敏和发炎等不良反应。因此开发对空气和水分具有良好通透性的导体并应用于可穿戴器件和电子皮肤具有重要意义;另一方面,导体材料和器件结构的高通透设计有助于人体各类生理信号,如呼出的气体、汗液中的葡萄糖和电解质等的渗透,有利于其在柔性电子器件多通道传感集成方面的应用。

香港理工大学的郑子剑教授和黄琪瑶研究助理教授等人系统综述了近年来应用于可穿戴和皮肤电子器件的透气导体的研究进展。首先对透气导体的三个关键参数,即通透性、柔性与弹性、以及导电性进行了讨论,着重介绍实现导体气、液通透的必要性及其测试方法。随后对两大类透气导体,包括纤维基透气导体和多孔薄膜基透气导体的构筑策略进行阐述,并结合代表性工作概述各类透气导体在穿戴器件和电子皮肤等应用场景中的优势。最后,作者们分享了透气型导体和电子器件目前面临的挑战和未来的发展方向。

图1. 应用于穿戴和皮肤电子的导体的设计关键要素包括通透性、柔性/弹性以及导电性。透气导体可分为两大类:纤维基透气导体和多孔薄膜基透气导体。

郑子剑,香港理工大学纺织及服装学系(ITC)教授,现任香港理工大学材料与器件中心实验室(UMF)副主任、智能可穿戴系统研究院(RI-IWEAR)副主任,以及潘乐陶慈善基金智慧能源研究院(RISE)首席研究员。2003年获清华大学化学工程系工学学士学位,2007年获剑桥大学化学系博士学位。2008-2009年,在美国西北大学Mirkin教授课题组从事博士后研究;2009年加入香港理工大学担任助理教授,2013年晋升为终身副教授,2017年晋升为正教授。郑教授研究方向主要包括材料表界面科学、微纳制造、新型柔性材料、柔性电子应用等。迄今为止在ScienceNature MaterialsNature CommunicationsJouleAdvanced MaterialsAdvanced Energy MaterialsAdvanced Functional Materials等高影响因子期刊上发表论文逾140篇;拥有国内外专利25项。2019年创办Wiley绿色能源环境领域的先进材料期刊《EcoMat》并担任主编,亦担任Advanced Materials和Small客座编辑,以及Advanced Energy Materials顾问委员会成员。2018年入选香港青年科学院创院院士,2021年当选香港研资局高级研究学者。

黄琪瑶,香港理工大学纺织及服装学系研究助理教授。分别于2014年及2019年获得香港理工大学学士与博士学位;2020年9月至今担任香港理工大学纺织与服装学系研究助理教授。主要从事纺织基导电纤维材料及器件的相关研究,研究方向集中于利用纺织材料与织物结构,并结合微纳米材料的制备工艺,实现柔性、可穿戴的织物基能源存储器件及传感器等。迄今于Nature Materials, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Joule, Nano Energy等国际期刊以第一/通讯作者或合作者发表学术论文逾20篇。

论文信息:

Permeable Conductors for Wearable and On-Skin Electronics

Fan Chen, Qiyao Huang*, Zijian Zheng*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100135

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100135