人體皮膚作為雙向界面，可以通過表皮電極將信息傳入和傳出人體。一方面，可以記錄心電信號（ECG）和肌肉電信號（EMG），用于診斷心臟病和監(jiān)測肌肉狀態(tài)。另一方面，對皮膚施加電刺激，產(chǎn)生虛擬觸覺感知，加速皮膚傷口的愈合，并治療肌肉和神經(jīng)相關(guān)疾病。將這些技術(shù)推進(jìn)至可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵步驟之一是可以長期使用的高性能表皮電極。這要求電極具有良好的透氣性、導(dǎo)電性以及粘附性。

除此之外，人體皮膚除了手掌和腳底，大部分都覆蓋有毛發(fā)，并且這些毛發(fā)皮膚富含敏感的觸覺神經(jīng)。將電極直接貼在或涂在有毛發(fā)的皮膚上會導(dǎo)致毛發(fā)被粘在電極和皮膚之間，這會導(dǎo)致皮膚拉伸時產(chǎn)生疼痛感。對于長期佩戴的表皮電極而言，舒適度是不能忽略的一個重要參數(shù)。

為了解決以上兩個問題，港科大楊征保教授團(tuán)隊聯(lián)手港城大姚希教授團(tuán)隊設(shè)計了一種用于噴涂制造方法的水基液態(tài)金屬導(dǎo)電墨水，命名為SE-tattoo。這種導(dǎo)電墨水由水性聚氨酯（WPU）、銀片和鎵銦合金（EGaIn）液態(tài)金屬組成（圖1b）。該墨水具有快速揮發(fā)的特性，僅僅20秒就可以形成導(dǎo)電紋身。所制備的電子紋身可以與皮膚緊密貼合，順應(yīng)皮膚的紋理結(jié)構(gòu)，同時還具有良好的透氣性。值得一提的是，在圖中可以看到，毛發(fā)始終保持原來的直立狀態(tài)，絲毫沒有受到電極紋身對其的影響（圖1c），這是實(shí)現(xiàn)良好舒適性的關(guān)鍵。

圖1 SE-Tattoo的設(shè)計和應(yīng)用

圖2 SE-Tattoo的表征

圖3 SE-tattoo的性能表征

研究人員展示了SE-Tattoo的應(yīng)用前景，通過手腕SE-Tattoo，該系統(tǒng)允許人們在日常工作中以不易察覺的方式記錄心電圖信號，減少運(yùn)動偽影。研究人員還強(qiáng)調(diào)了SE-Tattoo在運(yùn)動訓(xùn)練輔助方面的適用性。通過SE-Tattoo記錄的EMG信號顯示出高信噪比（SNR），可以準(zhǔn)確反映肌肉激活狀態(tài)以及疲勞狀態(tài)。

圖4 SE-tattoo在生物電信號記錄中的應(yīng)用

此外，研究人員通過電觸覺盲文顯示器和觸覺導(dǎo)航的應(yīng)用，展現(xiàn)了SE-tattoo作為輸入界面的多功能性。最后，研究人員構(gòu)建了一個包含SE-tattoo、肌電傳感器、觸覺傳感器和電觸覺反饋設(shè)備的閉環(huán)控制系統(tǒng)，允許志愿者遠(yuǎn)程控制機(jī)械手以適當(dāng)?shù)牧Χ茸ト∥矬w。

圖5 SE-tattoo作為雙向人機(jī)界面的應(yīng)用

視頻1 基于SE-tattoo的遠(yuǎn)程操作控制系統(tǒng)

綜上所述，研究人員設(shè)計了具有生物相容性的導(dǎo)電墨水，并使用噴涂的方法解決了在毛發(fā)皮膚上制備干電極的問題。這項技術(shù)在健康監(jiān)測、運(yùn)動訓(xùn)練、遠(yuǎn)程操作和虛擬現(xiàn)實(shí)等方面具有潛在的應(yīng)用價值。相關(guān)成果以“Imperceptible liquid metal based tattoo for Human-Machine interface on hairy skin”為題，發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。在讀博士生林偉康、艾麗青、王源祎為共同第一作者，楊征保教授和姚希教授為共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151595

審核編輯：劉清