液态金属赋能电子皮肤：透气、湿贴且抗干扰的高保真电生理监测

研究背景  

纺织基电子皮肤因优异的透气性、柔韧性和生物相容性，在可穿戴健康监测和人机交互中极具潜力。然而，其面临两大核心挑战：  1.透气性与皮肤粘附性存在固有权衡——高透气性材料（如传统纺织品）通常粘附性差，导致界面阻抗升高和信号伪影；而高粘附性材料（如水凝胶）往往透气性不足，引发长期佩戴不适。  2. 电磁干扰（EMI）易破坏微弱电生理信号（如微伏级的脑电、视觉诱发电位），现有纺织电子缺乏有效的EMI屏蔽设计，限制了复杂环境下的信号保真度。  此外，液态金属虽因高导电性和变形能力成为理想导电材料，但其高表面张力导致印刷性差、易氧化，进一步制约了其在柔性电子中的应用。因此，开发兼具透气性、湿粘附性、抗EMI性能的高性能电子皮肤成为关键。

研究成果

纺织基电子皮肤具有优异的透气性、柔韧性和生物相容性，是可穿戴健康监测设备和人机交互界面的理想选择。然而，透气性与粘附性之间存在固有的权衡关系，这对维持稳定且舒适的皮肤-电极界面构成了重大挑战。在极端条件下，这通常会导致界面阻抗升高、信号伪影以及信号保真度下降。在此，江南大学黄云鹏教授团队设计了一种透气、具有湿粘附性且抗电磁干扰（EMI）的纺织基电子皮肤，旨在实现稳定且高保真的电生理监测，尤其适用于出汗和强电磁环境。将液态金属颗粒（LMPs）包裹在多糖分子中，以防止其表面氧化并提高印刷性能。将这种导电油墨直接图案化印刷在三明治结构的纺织基底上，该基底集成了一层具有湿粘附性却又透气的纤维层，以及一层涂覆有银纳米颗粒的抗电磁干扰中间层。所得电子皮肤展现出优异的透气性（1439.1±13.3 g·m?2·day?1）、强大的湿粘附力（2.1 J·cm?2）和优异的电磁屏蔽效能（在X波段可达50 dB）。这些优势共同确保了其在潮湿和电磁干扰环境下，仍能舒适、稳定且高保真地采集多种电生理信号，包括心电图（ECG）、脑电图（EEG）、视觉诱发电位（VEP）和眼电图（EOG）。这种功能协同性是一项关键创新，有助于提升复杂真实生物监测场景中的长期稳定性和信号保真度。相关研究以“Permeable, Wet-Adhesive, and EMI-Resistant Liquid Metal Electronic Skin for High-Fidelity Electrophysiological Monitoring in Sweaty and Electromagnetic Environments”为题发表在Advanced Materials期刊上。

研究亮点  

1. 三明治结构协同实现多性能集成，底层PAA-NHS纤维保证湿粘附性，中间Ag NPs层提供EMI屏蔽，顶层SALMPs电路实现导电，三者通过纤维多孔结构保留透气性，突破“透气性-粘附性-抗干扰”的性能矛盾。  

2. SALMPs油墨解决液态金属应用瓶颈，SA修饰使液态金属颗粒分散稳定（储存期延长）、印刷性提升（可丝网印刷成复杂电路），且机械激活后形成连续导电网络，兼顾高导电性（3.4×10? S/cm）和柔韧性（拉伸1084.7%仍稳定）。  

3. 透气性、湿粘附强度和EMI屏蔽效能均处于同类材料前列，且能在极端条件（如剧烈运动出汗、50 Hz电磁干扰）下保持信号完整性。  

4. 首次实现液态金属电子皮肤对视觉诱发电位（VEP）和眼电图（EOG）的高保真监测，拓展了柔性电子在眼科诊断、神经科学等领域的应用边界。  

研究内容  

（一）材料设计与制备：构建了三明治结构的纺织基电子皮肤，核心组件包括：  

1. 导电层：海藻酸钠（SA）修饰的液态金属颗粒（SALMPs）油墨，通过机械剪切将镓铟共晶（EGaIn）分散为微颗粒，SA通过氢键和离子交联（Ga3?与SA羧基）包裹颗粒，降低表面张力（接触角从135.2°降至30.1°），抑制氧化并提升印刷性，可直接丝网印刷成高精度电路（线宽≈0.8 mm）。  

2. EMI屏蔽层：镀银纳米颗粒（Ag NPs）的SEBS纤维，在SEBS纤维表面原位还原Ag NPs，形成连续导电网络，利用电磁波反射和吸收实现高效屏蔽，X波段屏蔽效能达50 dB。  

3. 湿粘附层：NHS接枝的PAA纤维，通过静电纺丝制备PAA-NHS纤维，NHS与皮肤表皮胺基形成共价键，羧基与皮肤通过氢键/静电作用结合，辅以Ca2?离子交联增强稳定性，实现2.1 J/cm?1的湿粘附强度。  

Figure 1. Design and structure of the permeable, wet-adhesive, and EMI-resistant e-skin. 

（二）性能表征  

1. 基础性能：  

Figure 2. Synthesis, characterization, and application of SALMPs for flexible electronics. 

- 透气性：1439.1±13.3 g/m2/day，与棉布相当，远高于皮革（614.8 g/m2/day），长期佩戴无皮肤炎症；  

Figure 3. Adhesion performance of the e-skin.

 - 湿粘附性：在出汗条件下（0.1-0.5 mL人工汗液），粘附强度保持1.0-1.4 J/cm?1，60分钟慢跑后仍稳定附着；

Figure 4. a) EMI shielding mechanism of Ag/SEBS textile. b) Electromagnetic shielding effectiveness of the textile after silver plating treatment for 4 times. c) Power coefficients of Ag/SEBS textiles with different Ag plating times. d–g) Electromagnetic shielding effectiveness of Ag/SEBS textile after different treatment, and h) the corresponding SE 、SEA、SER values.

 - EMI屏蔽：X波段屏蔽效能＞50 dB，远超商用阈值（25 dB），且在拉伸、摩擦、出汗后性能衰减＜2%。  

2. 电生理监测性能  

Figure 5. Electrophysiological monitoring performance of the textile e-skin under EMI (by turning on an electric hair drier) and sweaty conditions. 

- 界面阻抗：显著低于商用电极和PEDOT:PSS电极（10?1-10? Hz范围），3天连续监测阻抗稳定；  

Figure 6. VEP and EOG monitoring performance of the textile e-skin. 

   - 信号保真度：在强电磁干扰（如吹风机）和出汗环境下，可高精度监测ECG（清晰识别P/Q/R/S/T波）、EEG（α波信噪比12.2 dB）、视觉诱发电位（VEP，P100波识别准确率＞96%）和眼电图（EOG，Arden比值在正常范围），其中首次实现液态金属电子皮肤对VEP和EOG的稳定监测。

总结与展望  

总之，构建了一种结构集成、协同作用的多层纺织电子皮肤，它同时实现了透气性、湿粘附性和电磁干扰屏蔽功能——这些特性在现有设计中很少能同时实现。通过将表面改性的海藻酸钠修饰液态金属颗粒（SALMPs）油墨与三明治结构的纺织基底相结合，所得电子皮肤实现了强大粘附性（2.1 J·cm?2）、高透湿性（1439.1 g·m?2·day?1）和优异电磁屏蔽性能（X波段＞50 dB）的独特协同效应。海藻酸钠（SA）包裹的液态金属颗粒（LMPs）油墨有效缓解了高表面张力和界面粘附性弱的问题，确保了更高的丝网印刷性能和生物相容性。这种多功能结构能够实现与皮肤的共形接触并抑制运动伪影，即使在出汗和强电磁干扰环境下，也能获取稳定且高保真的电生理信号（心电图、脑电图、视觉诱发电位和眼电图）。这些综合进展为开发高保真、环境适应性强的可穿戴生物电子设备迈出了重要一步。