中南大學《自然·通訊》：耐磨電子皮膚，像人類皮膚一樣堅韌的可穿戴生物傳感器

柔性可穿戴電子皮膚作為下一代健康監測技術，憑借其舒適的貼合體驗和連續生理信號采集能力，已成為學術界和產業界關注的熱點。然而，盡管研究人員通過波浪結構、剪紙設計等外在可拉伸結構以及液態金屬、金屬納米線等本征可拉伸材料開發了多種電子皮膚系統，這些器件在耐磨性方面仍難以與人類皮膚媲美——人類皮膚能夠在摩擦、拉伸等復雜環境下保持穩定的感知功能，而現有電子皮膚往往因材料開裂或分層導致性能退化。如何在保持高延展性和導電性的同時，賦予電子皮膚卓越的耐磨性能，一直是該領域面臨的重大挑戰。

針對這一難題，中南大學龔舒教授、肖柱教授和澳大利亞程文龍教授、倫敦大學學院Li Yixuan合作，提出了一種基于雙層固/液混合可拉伸導體的耐磨電子皮膚解決方案。這種超薄（僅13.3微米）的電子皮膚由銀顆粒浸漬的SEBS頂層和液態金屬顆粒浸漬的SEBS底層構成，在經受1500秒標準RCA耐磨測試、超過600%的大應變拉伸以及強酸強堿環境暴露后仍能保持優異的機電穩定性，并能高保真地采集機械和電生理信號。相關論文以“Abrasion-resistant wearable skins based on bilayered solid/liquid stretchable conductors”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊通過精細的材料設計和界面工程，實現了這一雙層結構的可控制備（圖1）。掃描電鏡圖像清晰展示了銀顆粒層與液態金屬顆粒層之間約13.3微米的清晰界面，能譜分析證實了碳、銀、鎵、銦元素的均勻分布。這種均質的SEBS基體結構使兩層之間形成了強界面結合，即使經過膠帶剝離測試也不會發生分層。超薄設計使該電子皮膚能夠緊密貼合人類指紋的微細結構（圖1g、h），實現真正的"第二層皮膚"體驗。耐磨性能測試顯示（圖1i、j），雙層結構可承受超過1500秒的RCA耐磨測試，電阻變化低于10 Ω/cm，而液態金屬顆粒單層和銀顆粒單層分別在32秒和403秒后即永久失去導電性，凸顯了雙層設計的優勢。

圖1 | 可拉伸雙層導體的結構示意圖、結構表征和耐磨性能。 a AgPs/LMPs雙層薄膜的結構示意圖。b 附著在硅片上的AgPs/LMPs雙層薄膜的橫截面SEM圖像。比例尺，10 μm（插圖中為5 μm）。c-f AgPs/LMPs雙層薄膜的C、Ag、Ga和In元素的能譜圖。比例尺，5 μm。g AgPs/LMPs雙層薄膜共形附著在指紋復制品表面的SEM圖像，比例尺，1 mm。h AgPs/LMPs雙層超薄薄膜貼附在人類手指上的照片。比例尺，10 mm。i RCA耐磨測試儀的設置照片。j AgPs/LMPs雙層（藍色）、LMPs/SEBS（紅色）和Ag/SEBS（橙色）在RCA耐磨測試過程中的電阻變化。

進一步的表征分析揭示了該雙層結構在極端環境下的優異性能（圖2）。當拉伸至600%應變時，底層液態金屬顆粒通過垂直導電橋接作用，重新連接了頂層銀顆粒形成的孤立島狀結構，使電阻僅增加約1 Ω/cm。更令人驚奇的是，耐磨測試后銀顆粒與液態金屬顆粒發生摩擦誘導融合，確保了導電通路在大機械變形下的穩定性（圖2a-d）。在強酸（2M HCl）和強堿（2M NaOH）環境中，雙層結構在300%循環應變下的電阻變化仍保持在10%以內（圖2e），而表面暴露的液態金屬顆粒單層則因氧化鎵殼層溶解導致性能急劇惡化（圖2f）。此外，經過6小時標準洗滌循環后，雙層電極的電阻漂移小于20%，而液態金屬顆粒單層的導電性下降了234倍（圖2g）。

圖2 | 可拉伸雙層導體在各種機械和腐蝕環境下的表征。 a AgPS/LMPs雙層在0-600%拉伸和磨損過程中的導電原理示意圖及實時R-t曲線。b-d AgPS/LMPs雙層在原始狀態（b）、600%應變（c）和600%應變+磨損（d）狀態下的俯視圖SEM圖像。比例尺：5 μm。e AgPs/LMPs雙層在不同環境下進行300%循環應變時的電阻變化。f AgPs/LMPs雙層和LMPs/SEBS單層電極在2M HCl和NaOH中浸泡不同時間前后的電阻變化。g AgPs/LMPs雙層和LMPs/SEBS單層電極在不同循環洗滌周期后的電阻變化。圖f和g中的數據以平均值±標準差表示，n=3個獨立樣本。

基于這一耐磨導電雙層結構，研究團隊展示了其在可穿戴互連、電生理傳感和智能感知系統中的應用潛力（圖3-5）。作為可拉伸互連線，該材料能夠在雙手揉搓、摩擦磨損后仍穩定點亮LED且無亮度衰減（圖3a），在0-700%應變范圍內保持穩定的應變傳感性能（圖3b、c）。通過絲網印刷技術，研究團隊成功在紡織品上印制了中南大學校徽圖案的LED電路（圖3d），并在10000次織物摩擦和600次RCA摩擦后仍保持導電性。

圖3 | 基于可拉伸雙層導體的耐磨可穿戴互連線。 a 由AgPs/LMPs雙層組裝的LED電路在原始狀態、揉搓和拉伸狀態下的照片。比例尺：10 mm。b 原始狀態和磨損后，在0%至700%應變范圍內的電阻變化。c AgPs/LMPs雙層薄膜電極在100%、300%、500%和700%拉伸測試過程中的電阻變化。d 由AgPs/LMPs雙層LED電路圖案化的中南大學校徽圖片。比例尺：10 mm。

在電生理傳感方面（圖4），通過在液態金屬顆粒漿料中添加2.5wt%丙烯酸酯，雙層結構與皮膚的界面粘附力達到130 N/m，是未添加時的兩倍。這種強粘附結合高導電性，使電極-皮膚接觸阻抗在10-10^6 Hz頻率范圍內低至105-1416 Ω，比商用Ag/AgCl電極和液態金屬顆粒單層低一個數量級以上（圖4c）。經過2000次摩擦循環后，接觸阻抗仍保持在低水平。在實際心電和肌電監測中（圖4d-j），雙層電極在500次摩擦后信噪比變化極小（心電：20.49±1.03 dB vs 18.75±0.32 dB；肌電：33.39±1.36 dB vs 27.86±0.9 dB），性能遠超銀顆粒單層和液態金屬顆粒單層。

圖4 | 基于可拉伸雙層導體的耐磨可穿戴電生理傳感器。 a AgPs/LMPs雙層貼附于皮膚的示意圖。b 含/不含丙烯酸酯的AgPs/LMPs雙層在皮膚上的力-位移曲線。c AgPs/LMPs雙層、LMPs/SEBS和商用Ag/AgCl電極的皮膚-電極接觸阻抗分析。d AgPs/LMPs雙層用于心電和肌電信號采集的示意圖。e,f 志愿者在循環摩擦過程中的心電（e）和肌電（f）信號采集。比例尺：10 mm（插圖中為5 mm）。g,h 使用AgPs/LMPs雙層、AgPs/SEBS和LMPs/SEBS電極在500次摩擦測試前后的心電信號（g）和相應信噪比值（h）比較。i,j 使用AgPs/LMPs雙層、AgPs/SEBS和LMPs/SEBS電極在500次摩擦測試前后的肌電信號（i）和相應信噪比值（j）比較。圖h和j中的數據以平均值±標準差表示，n=3個獨立樣本。

作為概念驗證，研究團隊進一步開發了人工智能輔助的多模態耐磨感知平臺（圖5）。在盲文識別應用中（圖5a-d），貼附于指尖的U形應變傳感器和前臂肌電電極能夠在超過500次重復摩擦測試后穩定識別盲文短語"TATTOO EMG"，識別準確率達到100%。在面部表情解碼中（圖5e-i），三通道肌電陣列可區分微笑、大笑、驚訝和憤怒四種表情，結合卷積神經網絡實現了98.75%的分類準確率。即使在面部清潔等高摩擦強度活動中，信號質量也無衰減。研究團隊還開發了可水洗的心電T恤（圖5j-l），雙面導電設計實現了器件-織物-皮膚界面的無縫集成，在日常穿戴和反復洗滌后仍能保持優異的心電監測性能。

圖5 | 基于可拉伸雙層導體的耐磨多模態感知系統。 a 用于盲文識別的摩擦和肌電傳感器位置示意圖。b 通過滑動3D打印盲文板采集的AgPs/LMPs雙層電極摩擦信號。比例尺：10 mm。c 500次摩擦循環后的電阻變化。d 滑動3D打印盲文板后的摩擦和肌電信號。e 志愿者面部的三對AgPs/LMPs雙層電極。比例尺：50 mm。f 不同表情對應的肌電信號響應。數據以平均值±標準差表示，n=3個獨立樣本。

這項研究的突破性意義在于，通過巧妙的雙層固/液混合導體結構設計，同時解決了可穿戴電子器件在耐磨性、拉伸性和環境穩定性方面的核心難題。銀顆粒/SEBS頂層提供了卓越的耐磨保護，而液態金屬顆粒/SEBS底層確保了極端變形下的高導電性，熱退火促進的強界面結合則防止了液態金屬泄漏和分層失效。這種兼具人類皮膚般耐用性和高保真感知能力的電子皮膚，為長期連續的健康監測、人機交互、智能機器人等應用開辟了新的可能性。研究團隊展望，這一設計范式可推廣至其他柔性電子系統，推動可穿戴技術從實驗室走向真實世界的日常應用。