我國在超穩(wěn)定可拉伸電極研究中取得進展

在智能可穿戴電子領域，人體表皮生理信號的收集過程中，穩(wěn)定的可拉伸電極可以實現(xiàn)長時間精準的信號收集。然而，無論是表面結構設計型、導電材料復合型還是本真可拉伸型電極，均難以實現(xiàn)在動態(tài)變形下穩(wěn)定的電性能。

近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊在研究員李潤偉的帶領下，受到人工漁網(wǎng)啟發(fā)，模仿“水膜-魚網(wǎng)”結構，設計了具有柔性自適應導電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極，提出利用靜電紡絲法構建液態(tài)金屬聚氨酯（TPU）二維“仿水膜-魚網(wǎng)”結構薄膜，實現(xiàn)了極低初始方阻，解決了彈性電極中導電率和拉伸率不可兼容、循環(huán)變形下電性能不穩(wěn)定的問題，應變下通過網(wǎng)孔束縛液態(tài)金屬對外擴展和液態(tài)金屬在網(wǎng)孔內(nèi)自適應流動，實現(xiàn)低電阻高穩(wěn)定可拉伸電極，該電極的動態(tài)自適應導電網(wǎng)絡使其具備極強的動態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過33萬次100%拉伸應變循環(huán)，電阻僅變化5%，同時電極面對冷熱、酸堿、浸水等服役環(huán)境變化。該電極可應用于全天候人體表皮生理信號監(jiān)測、智能人機交互界面及人體熱療等方面，有望助力基于萬物互聯(lián)的可穿戴健康監(jiān)護系統(tǒng)及電子皮膚人機交互界面的持續(xù)發(fā)展。該工作以Ultra-robust stretchable electrode for e-skin： In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction為題，發(fā)表在InfoMat上（DOI：10.1002/inf2.12302）。

該團隊通過TPU靜電紡絲與液態(tài)金屬微納顆粒靜電噴涂的原位復合，以及隨后進行的機械激活，制備出仿“水膜-漁網(wǎng)”的可拉伸電極。該電極的超穩(wěn)定電性能，主要得益于其仿“水膜-漁網(wǎng)”結構，也可稱為液態(tài)金屬動態(tài)自適應網(wǎng)絡，由于液態(tài)金屬薄膜與聚氨酯紡絲網(wǎng)的交互作用，在小應變下（<100%的應變），SEM原位觀察到液態(tài)金屬可以實現(xiàn)自適應流動，卸去局部應力，保持導電薄膜連續(xù);在大應變下（300%～500%的應變），盡管液態(tài)金屬薄膜會破裂，但聚氨酯紡絲網(wǎng)會阻礙其斷裂，并使其包裹在纖維絲上，保持整體導電網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。研究還分析了液態(tài)金屬微米納米球如何通過尺寸效應和微觀捆綁結構實現(xiàn)與納米纖維絲網(wǎng)絡的復合。

此外，通過局部激活和激光切割，可以將聚氨酯液態(tài)金屬復合材料制備成多層多功能人機交互系統(tǒng)。上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍牙模塊上，能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號傳輸，在拉伸和彎曲狀態(tài)下均可以對計算機輸入無線指令，可應用在智能可穿戴游戲控制等方面。下層蛇形加熱器展現(xiàn)出良好的電熱穩(wěn)定性，可以實現(xiàn)45～90 ℃穩(wěn)定加熱，并展現(xiàn)出優(yōu)異的加熱循環(huán)性能，可用于人體加熱治療。局部激活的電路對機械破壞展現(xiàn)出很好的抵抗性，該電極可以實現(xiàn)即時導電通路重建，使電極在破壞、拉伸狀態(tài)下依然能夠正常工作。該電極展在100%應變拉伸循環(huán)試驗中，在第一次拉伸電阻發(fā)生了輕微升高，后續(xù)的33萬次循環(huán)中，其電阻僅上升了5%，該特性遠優(yōu)于其他已報道的可拉伸電極。該電極可以實現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。體外細胞試驗證明，該電極具有良好的生物相容性和極低毒性，可以用在人體表皮進行心電監(jiān)測，其展現(xiàn)出與商用凝膠電極類似的阻抗性能。此外，該工作根據(jù)人的活動場景，為電極設計了靜態(tài)、運動、水沖三個工作場景，超穩(wěn)定電極展現(xiàn)出優(yōu)異的心電信號收集能力，信噪比達到0.43，尤其在水沖環(huán)境中，該電極仍能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號，可用于全天候心電診斷。

該工作設計并實現(xiàn)了超耐用可拉伸電極，基于液態(tài)金屬和聚氨酯紡絲網(wǎng)絡構成的自適應導電網(wǎng)絡，實現(xiàn)了在機械變形、長時間氧化、循環(huán)浸沒、加熱、酸堿浸泡等各種環(huán)境刺激下的穩(wěn)定電性能，尤其實現(xiàn)了33萬次拉伸循環(huán)下極小的電阻變化。該電極可以應用在全天候心電監(jiān)測、智能人機交互系統(tǒng)等方面，在長時間體表電子皮膚、體內(nèi)生物相容性器件等方面展現(xiàn)出較大潛力。

研究工作得到國家自然科學基金、寧波市“3315系列計劃”、寧波“科技創(chuàng)新2025”項目、浙江省自然科學基金、浙江省杰出青年科學基金、中科院王寬誠教育基金的支持。

（來源：寧波材料技術與工程研究所）