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)相關疾病。將這些技術推進至可穿戴設備的關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)的皮膚上會導致毛發(fā)被粘在電極和皮膚之間，這會導致皮膚拉伸時產(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隊聯(lián)手港城大姚希教授團隊設計了一種用于噴涂制造方法的水基液態(tài)金屬導電墨水，命名為SE-tattoo。這種導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秒就可以形成導電紋身。所制備的電子紋身可以與皮膚緊密貼合，順應皮膚的紋理結構，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），這是實現(xiàn)良好舒適性的關鍵。

圖1 SE-Tattoo的設計和應用

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，減少運動偽影。研究人員還強調了SE-Tattoo在運動訓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用

此外，研究人員通過電觸覺盲文顯示器和觸覺導航的應用，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備的閉環(huán)控制系統(tǒng)，允許志愿者遠程控制機械手以適當?shù)牧Χ茸ト∥矬w。

圖5 SE-tattoo作為雙向人機界面的應用

視頻1 基于SE-tattoo的遠程操作控制系統(tǒng)

綜上所述，研究人員設計了具有生物相容性的導電墨水，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。這項技術在健康監(jiān)測、運動訓練、遠程操作和虛擬現(xiàn)實等方面具有潛在的應用價值。相關成果以“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