在智能可穿戴電子領(lǐng)域，穩(wěn)定耐用的柔性可拉伸導(dǎo)體仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。尤其是在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(zhǔn)的信號收集。目前無論是表面結(jié)構(gòu)設(shè)計型、導(dǎo)電材料復(fù)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。所以，制備具有高穩(wěn)定電性能的電極仍然是一個極大的挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊在李潤偉研究員的帶領(lǐng)下，受到人工漁網(wǎng)啟發(fā)，模仿“水膜-魚網(wǎng)”結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有柔性自適應(yīng)導(dǎo)電界面的超穩(wěn)定可拉伸電極，提出利用靜電紡絲法構(gòu)建液態(tài)金屬聚氨酯（TPU）二維“仿水膜-魚網(wǎng)”結(jié)構(gòu)薄膜，實現(xiàn)了極低初始方阻（52mΩ sq-1），解決了彈性電極中導(dǎo)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(yīng)變下通過網(wǎng)孔束縛液態(tài)金屬對外擴(kuò)展和液態(tài)金屬在網(wǎng)孔內(nèi)自適應(yīng)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(yīng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使其具備極強(qiáng)的動態(tài)循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過33萬次100%拉伸應(yīng)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，依舊表現(xiàn)出穩(wěn)定的電性能。該電極可應(yīng)用于全天候人體表皮生理信號監(jiān)測、智能人機(jī)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(hù)系統(tǒng)及電子皮膚人機(jī)交互界面的持續(xù)發(fā)展。該工作以題為“Ultra-robust stretchable electrode for e-skin: In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction”的論文發(fā)表在InfoMat上（DOI:10.1002/inf2.12302），并被選為封面文章（如圖1）。
該團(tuán)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(fù)合，以及隨后進(jìn)行的機(jī)械激活，制備出了仿“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(jié)構(gòu)，也可稱之為液態(tài)金屬動態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)變下（＜100%的應(yīng)變），SEM原位觀察到液態(tài)金屬可以實現(xiàn)自適應(yīng)流動，卸去局部應(yīng)力，保持導(dǎo)電薄膜連續(xù)；在大應(yīng)變下（300%-500%的應(yīng)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(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性（圖2a）。作者還透徹分析了液態(tài)金屬微米納米球如何通過尺寸效應(yīng)和微觀捆綁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與納米纖維絲網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合。
同時，通過局部激活和激光切割，可以將聚氨酯液態(tài)金屬復(fù)合材料制備成多層多功能人機(jī)交互系統(tǒng)。上層電容傳感陣列連接在集成電路和藍(lán)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(jī)輸入無線指令，可應(yīng)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(jī)械破壞展現(xiàn)出很好的抵抗性，該電極可以實現(xiàn)即時導(dǎo)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（圖2b）。該電極展在100%應(yīng)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%，該特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他已報道的可拉伸電極（圖2c）。
該電極可以實現(xiàn)人體表皮全天候心電信號檢測。首先，通過體外細(xì)胞實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(jìn)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。其次，該工作根據(jù)人的活動場景，為電極設(shè)計了靜態(tài)、運(yùn)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(dá)到0.43，尤其是在水沖環(huán)境中，該電極依然能夠收集到穩(wěn)定、清晰的心電信號，可用于全天候心電診斷（圖3）。
綜上所述，該工作設(shè)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(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了在機(jī)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(yīng)用在全天候心電監(jiān)測、智能人機(jī)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)出很大的潛力。
該工作由曹晉瑋、梁飛、李華陽等在李潤偉研究員與寧波諾丁漢大學(xué)朱光教授的共同指導(dǎo)下完成，并得到國家自然科學(xué)基金（51525103、51701231、51931011），寧波市3315人才計劃，寧波科技創(chuàng)新2025項目（2018B10057），浙江省自然基金（LR19F010001），浙江省杰出青年科學(xué)基金（2016YFA0202703）中國科學(xué)院王寬誠教育基金（GJTD-2020-11）的支持。
圖1 液態(tài)金屬基超穩(wěn)定可拉伸電極及應(yīng)用InfoMat封面
圖2 超穩(wěn)定電極機(jī)理及應(yīng)用
圖3 超穩(wěn)定電極的生物相容性探究及其在全天候心電監(jiān)測方面的應(yīng)用
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