华中科技大学黄永安教授和UT-Austin鲁南姝教授《Sci. adv.》：在大面积、自然贴附的电学自补偿电子纹身取得重要进展

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大范围表皮电生理学测量广泛用于疾病诊断、生理监控、人机交互等。新兴电子纹身与商业凝胶电极相比，可以实现无感穿戴，被认为下一代可穿戴技术。但是，现有技术制备电子纹身尺寸一般在厘米级，难以实施人体皮肤的大面积电生理测量。电子纹身从小面积扩展为大面积后面临巨大的挑战有长互连表皮连接线的信号干扰、曲面皮肤和平面器件的几何冲突以及大面积制造。华中科技大学黄永安教授研究团队和德克萨斯州大学奥斯汀分校鲁南姝（NanshuLu）教授研究团队为电子纹身大面积化提供了系统性的解决方案，包括信号补偿设计、近零应变的Cartan转印方法和高效低成本的大面积制备方法。

大面积电子纹身贴附在皮肤上，使得其中的表皮电极和表皮连接线会同时采集到广泛分布的生理信号（图1），而表皮连接线的特征长度往往远大于表皮电极，因此无法像小面积电子纹身那样，忽略表皮连接线对电极信号的干扰——这是大面积电子纹身的第一个挑战！人体皮肤是一个非可展曲面，致使大面积电子纹身在贴附过程中就出现褶皱、拉伸等破坏行为。这种现象造成电子器件“出师未捷身先死”，这是大面积电子纹身的第二个挑战！此外，基于当前微电子光刻工艺制备的电子纹身随着尺寸的增大，成本和时间快速增加，这是大面积电子纹身的第三个挑战！

图1 广泛分布的电生理信号。插图为大面积表皮电子贴附于手臂、胸部和颈部

最近，华中科技大学黄永安教授研究团队和德克萨斯州大学奥斯汀分校鲁南姝（Nanshu Lu）教授研究团队针对电子纹身应用于人体大面积生理特性监测（图一插图）的面积约束，提出了大面积表皮连接线对电极信号的干扰、皮肤非可展的几何特性、制造成本和效率等创新解决方案，成功实现了手势识别，假肢控制，颈部肌电云图和多通道心电等多项应用，该研究成果以“Electrically-compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiolo gyat scale”为题，于10月23日发表于Science Advances。

不同于前人的集中参数模型，研究人员首先建立了电极-皮肤的分布参数电学模型，在该模型基础上进一步推导了信号补偿理论。为了证明该理论的可行性，研究人员设计了一个巧妙的实验：表皮电极和表皮连接线分别采集两种特征迥异的生理信号——心电信号和肌电信号。将补偿前后的信号与标准的心电信号对比，表明该理论能够很好地消除表皮连接线所采集的生理电势信号的干扰（图2）。

图2 信号补偿理论及其实验验证方案

研究人员从数学领域撷取了Cartan展开的概念，把电子纹身设计成Cartan曲线，理论证明通过Cartan转印可以把镂空电子纹身转印到任意非可展曲面，同时保证了电子纹身不发生轴向拉伸和面内弯曲，理论计算和仿真均表明：通过Cartan转印得到的曲面电子器件的应变比常规转印的应变小3~4个数量级，近乎为零（图3）。Cartan转印要求电子纹身呈镂空网状，这种特性不仅仅让皮肤感受不到电子器件的力学约束，更能让体内汗液和热量顺畅地排出（图4）。此外，研究人员在低成本高效率的‘Cut-and-Paste’工艺基础上，开发了适宜大面积镂空电子纹身的整套工艺流程，避免了价格高昂的微电子工艺。

图3 用于自然贴附的Cartan转印原理及其相应的仿真

图4 大面积电子纹身的自然贴附性能

得益于突破“电路信号补偿-大面积制造-近零应变转印”等瓶颈，研究人员展示了大面积电子纹身在未来数字健康、高精度人机交互等领域的成功应用（图5）。英文字母手语识别、单词字母连续识别和实时假肢控制等技术为残障人士进行高性能人机自然交互提供可能；颈部肌电云图采集有助于语音康复、吞咽功能评估、颈椎病监测等；多通道的心电监测可以反映心脏不同部位的状况，实现心律不整、心悸等多种心脏疾病的监测。

图5 大面积电子纹身的应用实例——手语识别、假肢控制、颈部肌电云图

华中科技大学王攸华博士研究生为论文的第一作者，其本科毕业于清华大学机械工程系，现为华中科技大学机械科学与工程学院博士研究生。黄永安教授和鲁南姝（Nanshu Lu）教授为论文的共同通讯作者。其余作者包括尹浪、白云昭、刘思祎（德克萨斯州大学奥斯汀分校）、王柳（麻省理工学院）、周莹、侯超、杨朝宇、吴昊、马加冀、申曜鑫、邓鹏飞、张树昌、段堂健、李则含、任君晖、肖琳、尹周平教授。

原文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eabd0996

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