一种皮肤上耐用的纳米传感器用于监测皮肤的自然运动

舒适的应变计可以直接放置在人体皮肤上，以监测连续运动活动，广泛应用于机器人、人体运动检测和个人保健。然而，开发一种皮肤应变计来监测长期人体运动而不干扰皮肤的自然运动是具有挑战性的。在现在关于Science Advances的新报告中，Yan Wang 和东京大学电气工程科学家团队和紧急物质科学中心提出了一种超薄耐用的纳米应变计。该设备允许连续运动活动，以最大限度地减少对自然皮肤运动的机械限制。他们使用增强型聚氨酯-聚二甲基硅氧烷设计了该设备(PU-PDMS) 纳米网具有出色的可持续性和耐用性。该设备的几何形状和柔软度为自然皮肤变形提供了最小的机械干扰。例如，在语音测试中，贴有纳米网格的面部显示出类似于没有纳米网格的自然皮肤的皮肤应变图。王等人。展示了长期面部映射，以使用表面绑定的纳米网传感器检测实时、稳定的身体运动。

设计纳米网格

用于皮肤应用的可穿戴电子产品设计为轻薄、柔软且耐用，可与人体皮肤相结合，以实现持续的长期应用。由于应变计在用于健康诊断的人机界面中的应用，它们在生物工程领域引起了极大的兴趣。软的高精度应变计可用于连续测量生物器官功能。然而，它们具有更简单的机制来在机械变形后产生重复的电变化，用于连接生物系统的应用。这些设备只需要高机械顺应性、灵活性、灵敏度和生物相容性以获得最佳功能。在这项工作中，Wang 等人。开发了一种超薄耐用的纳米网应变计来检测人体运动，同时最大限度地减少对自然皮肤的机械限制。他们使用 PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)设计出具有 0.12 mg/cm 2的超轻重量和非凡机械耐久性的纳米网，适用于高循环拉伸和释放应用。该团队使用该设置成功地绘制了长达 3.5 小时的语音期间面部皮肤应变图，长期佩戴后机械干扰最小。

在实验过程中，该团队首先静电纺 PU(聚氨酯)纳米纤维来制造长而毛发状的纤维，以形成可渗透纳米网传感器的骨架。在下一步中，他们将 PU 纳米纤维片浸入稀释的 PDMS(聚二甲基硅氧烷)纳米纤维溶液中，形成被 PDMS 包围的随机束。王等人。将材料暴露在温和的紫外线 (UV) 臭氧下以固化表面并促进表面亲水性(喜水性质)以实现生物相容性。他们在两侧使用金沉积完成了该装置，并使用扫描电子显微镜观察了所得的 PU-PDMS 芯鞘(SEM)。PDMS 涂层增强了纳米纤维之间的互连性，以改善构造的结构完整性。与裸纳米纤维片相比，独立式 PU-PDMS 纳米网的机械强度大大提高，具有更大的拉伸性，该团队还检查了其透气性。

可编程拉伸性和灵敏度

王等人。通过改变 PDMS 浓度，有效地设计了不同的纳米网结构，以获得具有不同灵敏度和拉伸性的纳米网应变计。然而，所有装置相对于它们的多孔结构保持相似的孔径分布。科学家们将应变系数(GF) 或应变灵敏度定义为电阻的分数变化与长度的分数变化之比。不同的网状结构表现出不同的拉伸性和应变系数。在单轴拉伸过程中，每个装置的阻力以不同的速率增加。通过稀释 PDMS 溶液，他们有效地对具有不同拉伸性和灵敏度的纳米应变计进行了编程。在更高的应变 超出公差范围，PU-PDMS 网格断开导致纳米网格分解，而纳米网格结构可以通过释放应变来保留。

PU-PDMS 纳米网传感器的机电可持续性、可靠性和耐用性

为了了解设备的可持续性，研究团队在设备上施加了 40% 的应变达 12 小时。然后他们进行了循环测试以研究构造的机械耐用性并注意到轻微的滞后由于 PDMS 的机械性能，在最初的几百个循环中的电阻。由于其惰性金表面，PU-PDMS 纳米网的薄层电阻在环境条件下储存 100 天后保持稳定，表明其保质期长，非常适合实际应用。科学家们使用各种纳米纤维支架设计的结构对纳米网传感器进行了耐久性测试，包括聚乙烯醇 (PVA)、单独的聚氨酯 (PU) 和带有聚对二甲苯涂层的 PU。与其他三种表现不佳的纳米网相比，PU-PDMS 纳米网在 100 次循环期间表现出均匀的循环应变。

将纳米网装置贴在人体皮肤上后，团队用细水雾喷洒表面以稳定附着。在实验过程中，佩戴纳米网传感器的受试者几乎察觉不到这种接触。王等人。在脸部右侧连接纳米网传感器，并在左侧放置黑色矩形标记作为参考。当测试对象说出字母“a”、“o”和“u”时，黑色记号笔记录的最高应变范围在 17.5% 到 25% 之间，而纳米网传感器记录的最高应变为 18.3% 到 23.6%。因此，应变映射结果显示面部右侧和左侧的皮肤应变分布对称，突出了讲话期间纳米级设备对皮肤的最小机械约束。可贴合的纳米网可以佩戴 3.5 小时而不会感到不适。

然后，该团队将实验扩展到检测由脉冲引起的人类手腕上细微的皮肤变形。他们轻轻按压装有纳米网传感器的人手腕桡动脉，实时采集振幅和频率，该设备可用于监测体育锻炼前后的信号。该构造保持较高的线性拉伸性，以检测大关节弯曲运动，具有出色的柔顺性，可防止皮肤破损或脱离。即使经过 10,000 次弯曲/松弛循环后，应变传感器仍保持有效功能，以证明其结构完整性和皮肤与设备之间的一致性。

通过这种方式，与同一团队进行的先前工作相比，在这项工作中开发的基于 PU-PDMS(聚氨酯-聚二甲基硅氧烷)的超软多层纳米网更薄且更具拉伸性。在循环拉伸测试中，这些结构表现出非凡的耐用性和可持续性。机械耐用性是长期实时高精度皮肤监测测试的关键特征。纳米网传感器非常适合一系列实际应用，包括远程个人健康监测、跟踪耐力运动表现以及作为皮肤-机器接口假肢。王等人。建议用更具成本效益的导电纳米材料代替金表面涂层来构建纳米网未来的电子产品。科学家们设想这些结构将适用于未来的皮肤/可植入电子设备，用于日常医疗保健监测活动。

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