清华大学任天令教授等:透气性电子皮肤监测日常生理信号

近年来,用于日常健康监测的电子皮肤 (E-skins) 因其在日常生理信号监测方面的优势而获得了快速发展: (1) 电子皮肤的柔性基底适合贴附在人体皮肤上,具有较高的保形贴合性,有助于实现“穿戴电子皮肤不影响人的日常活动,且人的日常活动不影响电子皮肤实现功能”。(2) 电子皮肤已经从单功能发展到多功能,其出色的检测性能显示了其在医疗健康方面的巨大应用潜力。(3) 由于电子皮肤具有较高的系统集成潜力,它有望实现生理信号采集和诊断的集成,像“随身医生”一样适合用于日常长期健康管理。因此,许多用于可穿戴日常生理信号监测的高性能电子皮肤已经被开发出来。同时,对日常和长期生理信号监测的需求,对电子皮肤的发展提出了更高的要求。随着人们对使用电子皮肤进行长期、舒适的生理信号监测的需求不断增加,近年来,透气性电子皮肤引起了人们的特别关注。透气性电子皮肤可以避免汗液的积累,大大提高了长期佩戴的舒适度。根据监测信号的类型,用于日常长期生理信号监测的透气性电子皮肤可分为两大类:一种是用于电生理信号监测的透气性电子皮肤电极,包括心电 (ECG) 电子皮肤电极、眼电 (EOG) 电子皮肤电极、肌电 (EMG) 电子皮肤电极、脑电 (EEG) 电子皮肤电极等。另一种是透气性的电子皮肤传感器,用于检测物理生理信号 (脉搏、呼吸音、血压、体温等) 和化学生理信号 (葡萄糖、乙醇、电解质等)。此外,还有用于检测多种生理信号的多功能透气性电子皮肤。根据不同的生理信号或多种生理信号的监测要求,透气性电子皮肤的所用功能材料、结构、制造工艺等都是多种多样的。此外,考虑到检测和分析生理信号的要求及系统集成要求,用于日常健康监测的电子皮肤正变得更加多功能、更加集成、更加智能,以期实现类似“随身医生”的日常健康监测系统。

Breathable Electronic Skins for Daily Physiological Signal Monitoring

Yi Yang*, Tianrui Cui, Ding Li, Shourui Ji, Zhikang Chen, Wancheng Shao, Houfang Liu* & Tian-Ling Ren*

Nano-Micro Letters (2022)14: 161

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00911-8

本文亮点

1. 本文回顾了近年来用于日常生理信号监测的透气性电子皮肤 (E-skins) 的发展

2.本文系统地介绍和讨论了这些年研究发展出的典型透气性电子皮肤电极、透气性电子皮肤传感器和透气性电子皮肤系统的设计方法、制备工艺和性能

3.本文分析了透气性电子皮肤在日常健康监测中可能面临的挑战,并提出了透气性电子皮肤的可能发展方向

内容简介

随着社会的老龄化和人们对个人健康的关注程度的提高,对日常生活中长期生理信号的监测提出了更多需求。近年来,电子皮肤 (E-skin) 因其在高质量生理信号监测和适合系统集成等方面的优势,在日常健康监测中的应用得到了迅速发展。其中,透气性电子皮肤由于适应日常生活中监测生理信号的长期、高舒适度的穿戴要求,近年来发展迅速。清华大学任天令教授团队系统介绍了用于日常生理监测的透气性电子皮肤的研究进展。将其分为透气性电子皮肤电极、透气性电子皮肤传感器和透气性电子皮肤系统,梳理其设计思想、制造工艺、性能和应用,展示其在日常长期生理信号监测中的优势。并对透气性电子皮肤的发展方向和面临的挑战进行了讨论和展望。

图文导读

透气性电子皮肤电极

由于大多数电生理信号监测要求导电材料与人体皮肤直接接触以高质量、长期稳定地记录信号,因此需要考虑一些重要因素:首先,导电材料应具有良好的导电性,并可与人体皮肤稳定接触,确保记录高质量的生理电信号。第二,基底应具有良好的透气性和生物相容性,避免皮肤刺激,贴合人体皮肤表面。第三,电极应具有稳定的物理化学性能,适合日常长期使用。第四,作为日常健康监测的电极,需要考虑其工艺复杂性和材料成本。根据监测生理信号的类型,本章分别介绍了典型透气性电子皮肤在ECG、EOG、EMG、EEG等信号监测方面的应用进展。并着重介绍了该类透气性电子皮肤电极的制备方法和特点。

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图1. (a) 双梯度聚离子液体纳米纤维基电子皮肤电极的示意图; (b) 由不同导电弹性纤维制成的纺织品电子皮肤的SEM图像; (c) 人体皮肤上的无衬底电子皮肤照片和SEM图像。比例尺分别为1 cm和200 μm; (d) 石墨烯基无感化EOG电子皮肤电极的制备工艺; (e) 应用石墨烯织物电子皮肤电极EOG头带; (f) 集成EOG电子皮肤电极的眼罩。

本章我们介绍了近年来一些典型的用于长期电生理信号监测的透气性电子皮肤电极,并从信号类型、透气性、材料、制备方法等方面对其特点进行了总结。由于大多数电生理信号监测要求导电材料与人体皮肤直接接触,以高质量地记录信号,因此电子皮肤电极的设计应考虑与皮肤良好贴合,以降低电极与皮肤的接触阻抗,同时避免皮肤变形和外界环境引起的噪声干扰信号。此外,为了满足日常长期电生理信号监测的需要,电极材料需要具有良好的透气性、佩戴舒适性和稳定性。此外,考虑到日常大规模使用的潜力,制备过程需要简化,可以降低成本。为满足上述发展要求,同时保证良好的透气性,纤维基或无衬底电子皮肤电极正成为透气性电子皮肤电极的优先选择。

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图2. (a) 具有定向输汗特性的全纳米纤维电子皮肤电极; (b) 不同导电弹性纤维制成的织物电极的SEM图像; (c) Au-PVA纳米网电子皮肤; (d) LSG-PU纳米网电子皮肤电极; (e) 基于3D打印糖支架的多孔弹性体-碳纳米管电子皮肤电极; (f) 石墨烯纹身式脑电电极; (g) 植物上的蒸汽印刷透气电极; (h) 纳米网电子皮肤检测心肌细胞的心电信号。

II 透气性电子皮肤传感器

在日常长期健康监测需求日益增长的推动下,用于监测日常生活中各种生理信号的可穿戴传感器近年来发展迅速。为了满足医疗保健中各种关键生理信号的监测需求,研制了多种传感器。针对日常长期生理信号监测的需要,透气性电子皮肤传感器的设计逐渐成为研究热点。针对不同的生理信号采集提出了不同的透气设计方法,并且,利用精心设计的透气结构也发展出了各种先进的生理信号监测方法。下面,我们将根据透气性电子皮肤传感器监测的生理信号类型,如触觉、身体动作、呼吸、脉搏、皮肤表面湿度、体温和葡萄糖,介绍其最新进展。讨论它们的设计思想、制造方法和性能。

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图3. (a) 基于纳米网的触觉传感器的照片与结构图; (b) 多孔TPU薄膜的制备工艺及其照片; (c) 基于植物材料的身体运动监测电子皮肤的制作工艺和结构; (d) 全纺丝运动监测电子皮肤原理图; (e) 受到皮肤结构启发的呼吸传感器; (f) 全纳米纤维呼吸传感器的结构; (g) 透气、可降解的脉搏传感器的结构; (h) 基于氢键触发杂化的纳米纤维的脉搏传感器结构。

本章以典型的表皮生理信号监测为例,介绍了近年来透气性电子皮肤传感器的发展情况。根据不同生理信号的传感需求,总结了不同生理信号的传感类型、透气性、材料和制备方法等特点。由于不同生理信号适合的监测地点不同,同一生理信号的监测方法也可能不同,具体传感器的透气性、材料、制作方法等需要单独设计。此外,对于日常的长期生理信号监测,电子皮肤的传感材料需要良好的透气性、佩戴舒适性和稳定性。为满足上述发展要求,并保证良好的透气性,静电纺丝正成为透气性电子皮肤传感器的一个重要选择。

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图4. (a) 基于纳米网的湿度传感器的照片和SEM图像; (b) 受排汗毛孔启发设计的透气性电子皮肤结构; (c) 自愈合电子纹身的制作工艺; (d) 超疏水织物基底电子皮肤的制备工艺; (e) 透气性自组装葡萄糖传感器; (f) 全纳米纤维心音传感器的结构; (g) 丝绸-MXene声音探测器原理图; (h) 透气性隐形眼镜的结构示意图。

III 透气性电子皮肤系统

用于日常健康监测的透气性电子皮肤系统是近年来的研究热点。为了更适合日常生活的长期使用,透气性电子皮肤已经从只能检测生理信号的器件级逐步发展到系统级。这一趋势导致了几个重要的变化:(1) 透气性电子皮肤通过集成多种透气性传感器和电极,可以检测到更多种类的生理信号。(2) 具有透气功能的电子皮肤越来越一体化。它们除了具有基本的生理信号监测功能外,还具有信号存储、信号处理、信号传输、疾病治疗等功能,适合日常独立工作,实现原位传感-处理-诊断的能力。(3) 电子皮肤变得越来越智能。它们可以结合智能算法对生理信号进行分类或诊断,以评估健康状况,甚至诊断疾病。本章我们主要介绍随着这三种趋势发展而来的透气性电子皮肤系统,并展示其在日常健康监测中的优势。

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图5. (a) 多功能抗干扰电子皮肤系统的原理图及其制备方法; (b) 多功能透气性织物电子皮肤系统; (c) 基于石墨烯纤维素纸的全集成透气性电子皮肤系统; (d) 具有温度感应和伤口处理能力的透气性电子皮肤系统; (e) 石墨烯纳米网电子皮肤及其使用的智能算法模型; (f) 用于人机交互界面的透气性电子皮肤。

本章针对透气性电子皮肤的系统发展趋势,结合实例介绍了用于日常健康监测的多功能、集成化、智能化新型透气性电子皮肤系统。透气性电子皮肤的系统化发展趋势,使电子皮肤具有更多的生理信号监测能力,集成更多的功能,使电子皮肤系统可以原位采集、处理、传输信号,甚至实现智能诊断或人机交互,适应日常长期使用的电子皮肤需求。然而,我们将系统分为三类并不意味着每个电子皮肤系统只有一组特定的特征。近年来,许多关于透气性电子皮肤系统的优秀报道将透气性电子皮肤结合了其中的两到三个特点,包括多功能、集成化和智能化,而不仅仅是其中一种。此外,系统化趋势也为透气性电子皮肤带来了新的问题,包括:(1) 如何在功能或模块密度更高的情况下保证电子皮肤的透气性;(2) 如何在更高集成度的情况下选择合适的穿戴位置和系统布局,以保证各种生理信号同时高质量采集等。在下一章,我们将讨论关系到用于生理信号监测的透气性电子皮肤的发展的一些重要方面。

IV 讨论与展望

在本文中,我们系统介绍了近年来开发的用于日常生理信号监测的透气性电子皮肤。我们将其分为透气性电子皮肤电极、透气性电子皮肤传感器和透气性电子皮肤系统,分别对其设计思想、制造工艺、性能和应用进行了梳理,并展示了其在长期生理信号监测方面的优势。在上文中,通过对一些典型例子的不同生理信号监测类型、透气性、材料和制作方法的并行比较,总结了近年来透气性电子皮肤的特点。在制备方法和材料上,一个突出的特点是基于有机材料的静电纺丝织物在透气性电子皮肤电极和传感器中发挥着重要作用。这归功于静电纺丝的快速、简单、低成本和可定制的特点;透气性来自于静电纺织物的多孔结构和静电纺织物的薄软特性带来的穿着舒适性和可共形贴附。此外,电纺织物良好的附着性可以带来更好的信号监测质量和器件稳定性,这有助于避免电子皮肤的穿戴对人类日常活动的干扰,避免人类日常活动对电子皮肤性能的干扰。除了静电纺丝的电子皮肤,无基片或类似纹身的电子皮肤也取得了很大的进步,因为它更容易实现透气和无感地贴附在皮肤上。但是,面对日常的长期磨损,它们必须克服基材缺乏带来的耐久性和稳定性的降低,以及加工难度和器件可靠性的挑战。

关于电子皮肤的透气性,在第二章和第三章里,我们分别在表1和表2中进行了比较。在比较中,我们发现对电子皮肤透气性的评价方法多种多样,标准也不统一。虽然通过水蒸气渗透性来评价电子皮肤的透气性已经做了相当多的工作,但通过水蒸气测量电子皮肤透气性的实验条件也各不相同。例如,一些工作使用环境温度和压力来测试蒸汽渗透性,而其他工作则考虑可穿戴应用场景,在体温环境下来测试电子皮肤蒸汽渗透性。此外,环境湿度、测试设备、记录时间也不同。这就妨碍了对透气性的评价和不同透气性的电子皮肤的平行比较。此外,对于用于评价电子皮肤透气性的参数,如汗液传输率 (STR) 和蒸汽传输率 (VTR) ,目前针对透气性电子皮肤的VTR测试多于STR测试。这在一定程度上是因为进行STR测试的难度。然而,STR可能是更能反映电子皮肤透气性的参数,适合日常长期佩戴的应用场景。一般来说,对于薄膜的透气性测试,ISO 9239-1995是被许多研究者广泛认可和参考的测试标准。目前,提高基底孔隙率是一种广泛应用的提高电子皮肤透气性的方法。后续的器件和电路在基板上的布局以及在保证电子皮肤可靠性和稳定性的同时增加孔隙率的研究是目前的研究重点。

从以上章节可以看出,石墨烯、碳纳米管和MXene等新型低维纳米材料由于其优异的性能在透气性电子皮肤的研究中发挥着重要的作用。新型低维纳米材料在透气性电子皮肤应用方面的共同优势包括:(1) 作为电极导电材料具有许多物理和化学上的优势,包括大的比表面积和适合附着在如人皮肤在内柔性界面上的柔韧性,有助于降低电极-皮肤接触阻抗,保证高质量的信号采集;(2) 易于实现液相加工,适用于旋涂、喷涂等简单工艺制备;(3) 良好的电气性能,适合作为电子皮肤电极、传感器和系统的导电材料;(4) 由于制备技术的进步,与传统贵金属材料等相比,无论是材料还是制作方法,其成本都有所降低;(5) 生物相容性和稳定性符合日常长期皮肤贴附要求。综上所述,随着相关材料的发展,基于新型低维纳米材料的透气性电子皮肤有望在接下来蓬勃发展。通过对近年来各种先进的透气性电子皮肤的分析,我们认为未来的透气性电子皮肤可能有以下三个重要的发展方向:(1) 越来越多功能的透气性电子皮肤可以监测、处理、传输甚至分析更多种类的信号;(2) 透气性的电子皮肤越来越系统化。电子皮肤具有更高的集成度,可以在原位完成各种任务,成为一个一体化系统;(3) 透气性电子皮肤越来越智能。它们的信息处理效率将大大提高,并可实现信号诊断功能。在接下来的章节中,我们不再局限于透气性电子皮肤的例子,而是以最近发展的用于生理信号监测的电子皮肤为例,分别预测了三个发展方向并讨论了它们面临的主要挑战。

7.png图6. 更多功能、更加集成和更智能的电子皮肤:(a) 包含应变传感器、温度传感器和湿度传感器的电子皮肤系统照片; (b) 自供能电子皮肤用于智能控制; (c) 闭环电子皮肤系统; (d) 汗液驱动的用于多路无线传感电子皮肤; (e) 电子皮肤可以实现的潜在能力和技术。

总结

本文系统地综述了用于日常生理监测的透气性电子皮肤的最新研究进展。对典型的透气性电子皮肤进行了详细的介绍和讨论,将其分为电极、传感器和系统,并对其设计思想、制造工艺、性能、应用进行了梳理,阐述了其在长期生理信号监测中的优势。并展望了透气性电子皮肤的发展方向和面临的挑战。相信随着透气性电子皮肤的不断发展,将会开发出一种多功能、高集成度、智能化、具备完整高效的“信号传感-传输-诊断”能力的透气性电子皮肤,并将像真正的“随身医生”一样,在日常长期健康护理中发挥关键作用。

作者简介

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杨轶
本文共同第一作者、通讯作者
清华大学 副教授
主要研究领域
智能微纳器件与系统的研究。

主要研究成果

清华大学集成电路学院副教授、党委副书记。长期致力于智能微纳器件与系统的研究,在二维纳电子器件、纳米声学器件、集成谐振器件、柔性电子器件及其应用系统等方面取得多项重要创新性成果。承担和参与国家重大科技专项、国家重点研发计划、国家公益性行业科技专项、973课题、863课题、国家自然科学基金重点项目和省部级科研项目等10余项。在国际著名学术期刊和会议发表论文200余篇,SCI总引用3000余次,获授权发明专利10余项。近年来担任电子器件领域国际学术会议IEDM、EDTM、ICSICT技术委员会委员等重要学术任职。
Email:yiyang@tsinghua.edu.cn

9.jpg崔天睿

本文共同第一作者

清华大学 博士研究生
主要研究领域
面向日常健康监测的智能无感化电子皮肤系统。
10.jpg刘厚方

本文通讯作者
清华大学 助理研究员
主要研究领域
新型微纳功能芯片和集成微系统,以及在数基生命和信息科学方面的应用研究。

主要研究成果

研究方向包括1. 智能感知芯片与集成微系统,以及在数基生命中的应用研究;2. 新型存储、逻辑与存算一体微纳功能器件;3.新型射频器件与系统应用。共发表SCI论文50余篇;授权专利20余项,其中美国授权专利3项,欧洲授权专利1项,日本授权专利1项。IEEE PES电力信息通信智能感知技术分委会理事。获得2017年度北京市科学技术三等奖,2013年度北京市科学技术一等奖。

Email:houfangliu@tsinghua.edu.cn

11.jpg任天令

本文通讯作者

清华大学 教授
主要研究领域
新型智能微纳电子器件、芯片与系统。

主要研究成果

清华大学信息科学技术学院副院长,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者,清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任。近年来,承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目,做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。包括:智能传感器与智能集成系统,二维纳电子器件与芯片,柔性、可穿戴器件芯片与系统,智能信息器件与系统技术等。近期代表性创新成果包括:世界上栅极物理尺寸最小的晶体管、智能人工喉、智能人工耳膜、新型三维人机交互器件芯片、新型不挥发存储芯片、光谱可调的发光器件、智能仿生突触芯片等。在国内外重要学术期刊和会议发表论文700余篇。近年来,担任或曾任IEEE电子器件学会副主席(中国大陆首次)、国际微电子领域顶级学术会议IEDM执委(中国大陆首次)、IEEE电子器件学会教育委员会主席(中国大陆首次)等重要学术任职。曾获中国电子学会自然科学一等奖(2018年)。

Email:RenTL@tsinghua.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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