據麥姆斯咨詢報道，近日，由南京大學、河海大學、山西省人民醫院、內蒙古科技大學的研究人員組成的團隊在電子皮膚領域取得重要進展，通過基于濕式異質結構帶電射流的自組裝技術，該團隊構建了超薄、超輕、透氣的多功能靜電紡絲微金字塔陣列（EMPA），在此基礎上研制了高靈敏度和快速響應的EMPA壓容-摩擦電復合傳感器，該研究工作為開發具有出色性能和無感式下一代貼合皮膚（on-skin）器件提供了一種通用且可升級的策略，滿足了貼合皮膚器件在諸多場景中嚴苛的應用需求。

圖1 靜電紡絲微金字塔陣列（EMPA）的材料結構設計

貼合皮膚器件是指附著在人體皮膚上的功能性貼片或織物，可用于檢測生理和動作信號，預防身體受傷，將生物能量轉換為電能等。這些器件在醫療保健、行為監測、個人防護、自供電電子器件和人機交互方面顯示出巨大的應用潛力。隨著這些領域的飛速發展，貼合皮膚器件被進一步要求在減少感官干擾的情況下實現舒適的長期使用，甚至有望在自然狀態下檢測動作和觸摸，并將觸覺損失降至最低，以實現更復雜的應用，例如機器學習工匠技能和恢復肢體功能等。因此，人們非常重視開發各種貼合皮膚器件，這些器件不僅可以避免給人體皮膚帶來不適，還可以將對正常觸覺的干擾降至最低。

最近，Someya團隊提出，超薄、超輕、透氣的薄膜是無感式貼合皮膚器件的理想候選材料。受限于現有技術，特別是靜電紡絲的隨機沉積方式，已報道的無感式薄膜的功能表面為平面。由于平面的光學、熱學、力學和電學特性較差，因此很難賦予無感式貼合皮膚器件以優異的性能，從而限制了其在許多領域的應用。

相比之下，具有梯度幾何形狀的三維（3D）微結構陣列，例如微金字塔、微錐、微半球和微棱鏡陣列等，在開發高性能器件方面具有優勢，原因是它們的梯度空間填充、梯度應力分布和梯度折射率等固有特性有利于調節力、熱、光和電。然而，現有的3D微陣列加工技術（如光刻和3D打印）無法同時實現高透氣性、超薄厚度、超輕重量和梯度幾何形狀。因此，開發新型微結構，提高無感式器件的性能成為相關領域科學家所面臨的重大挑戰。

在本論文中，作者們通過靜電紡絲自組裝構建了獨特的超薄、超輕、透氣的EMPA，從而賦予無感式貼合皮膚器件在各種應用中具有出色的性能（圖2）。一系列濕式異質結構帶電射流可以被組裝成由各種材料制成的結構可設計的EMPA。受益于靈活的可設計性，EMPA的最佳光學、熱學、機械和電學特性被充分開發利用，以實現應用于日間輻射制冷、壓力傳感和生物力學能量收集的無感式貼合皮膚器件的出色性能。

基于EMPA的輻射制冷織物（薄至47μm）具有較高的可見光-近紅外（VIS-NIR）反射率（97.9%）和中紅外（MIR）發射率（76.3%），在一個標準太陽光強度（1kW/m2）下，可以將皮膚周圍的溫度降低約4℃，并且提供長期的舒適性。此外，所研制的EMPA壓容-摩擦電復合傳感器兼具高靈敏度和快速響應時間，靈敏度達到19kPa?1、檢出限低至0.05Pa、響應時間快至0.8ms，這些優點使其可以檢測到極微弱的指尖脈沖，以用于在寬頻范圍內監測手指自然操作的健康診斷。具有高摩擦電和壓電輸出（105.1μCm?2）的EMPA納米發電機實現了高效率的生物機械能收集。

值得注意的是，通過優化EMPA的材料和結構，研究人員可以進一步提高和拓寬其性能和應用領域。綜上所述，這項研究工作為組裝此類多功能EMPA奠定了基礎，并為貼合皮膚器件在有效的個人防護和醫療保健、高靈敏度傳感、高功率自供電電子器件以及最小感官干擾的人機交互等方面的應用提供了眾多機遇。

圖2 基于EMPA的貼合皮膚器件的無感性評估

圖3 EMPA電特性及其在高靈敏度壓力傳感和高效生物能量收集中的應用

審核編輯：劉清
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