具有柔性自适应导电界面的超稳定可拉伸电极

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队在研究员李润伟的带领下，受到人工渔网启发，模仿“水膜-鱼网”结构设计了具有柔性自适应导电界面的超稳定可拉伸电极，提出利用静电纺丝法构建液态金属聚氨酯（TPU）二维“仿水膜-鱼网”结构薄膜，实现了极低初始方阻（52mΩ sq⁻¹），解决了弹性电极中导电率和拉伸率不可兼容、循环变形下电性能不稳定的问题。

该电极可应用于全天候人体表皮生理信号监测、智能人机交互界面及人体热疗等方面，有望助力基于万物互联的可穿戴健康监护系统及电子皮肤人机交互界面的持续发展。该工作以Ultra-robust stretchable electrode for e-skin： In situ assembly using a nanofiber scaffold and liquid metal to mimic water-to-net interaction为题，发表在InfoMat期刊上，并被选为封面文章。

该团队通过TPU静电纺丝与液态金属微纳颗粒静电喷涂的原位复合，以及随后进行的机械激活，制备出仿“水膜-渔网”的可拉伸电极。该电极的超稳定电性能，主要得益于其仿“水膜-渔网”结构，也可称为液态金属动态自适应网络，由于液态金属薄膜与聚氨酯纺丝网的交互作用，在小应变下（＜100%的应变），SEM原位观察到液态金属可以实现自适应流动，卸去局部应力，保持导电薄膜连续；在大应变下（300%-500%的应变），尽管液态金属薄膜会破裂，但聚氨酯纺丝网会阻碍其断裂，并使其包裹在纤维丝上，保持整体导电网络的稳定性（图2a）。研究还分析了液态金属微米纳米球如何通过尺寸效应和微观捆绑结构实现与纳米纤维丝网络的复合。

图2 超稳定电极机理及应用

此外，通过局部激活和激光切割，可以将聚氨酯液态金属复合材料制备成多层多功能人机交互系统。上层电容传感阵列连接在集成电路和蓝牙模块上，能够实现无线信号传输，在拉伸和弯曲状态下均可以对计算机输入无线指令，可应用在智能可穿戴游戏控制等方面。下层蛇形加热器展现出良好的电热稳定性，可以实现45℃-90℃稳定加热，并展现出优异的加热循环性能，可用于人体加热治疗。局部激活的电路对机械破坏展现出很好的抵抗性，该电极可以实现即时导电通路重建，使电极在破坏、拉伸状态下依然能够正常工作（图2b）。该电极展在100%应变拉伸循环试验中，在第一次拉伸电阻发生了轻微升高，后续的33万次循环中，其电阻仅上升了5%，该特性远优于其他已报道的可拉伸电极（图2c）。该电极可以实现人体表皮全天候心电信号检测。体外细胞实验证明，该电极具有良好的生物相容性和极低毒性，可以用在人体表皮进行心电监测，其展现出与商用凝胶电极类似的阻抗性能。此外，该工作根据人的活动场景，为电极设计了静态、运动、水冲三个工作场景，超稳定电极展现出优异的心电信号收集能力，信噪比达到0.43，尤其在水冲环境中，该电极仍能够收集到稳定、清晰的心电信号，可用于全天候心电诊断（图3）。

图3 超稳定电极的生物相容性探究及其在全天候心电监测方面的应用

综上所述，该工作设计并实现了超耐用可拉伸电极，基于液态金属和聚氨酯纺丝网络构成的自适应导电网络，实现了在机械变形、长时间氧化、循环浸没、加热、酸碱浸泡等各种环境刺激下的稳定电性能，尤其实现了33万次拉伸循环下极小的电阻变化。该电极可以应用在全天候心电监测、智能人机交互系统等方面，在长时间体表电子皮肤、体内生物相容性器件等方面展现出较大潜力。

研究工作得到国家自然科学基金、宁波市“3315系列计划”，宁波“科技创新2025”项目、浙江省自然科学基金、浙江省杰出青年科学基金、中科院王宽诚教育基金的支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12302

关于柔性磁电功能材料与器件团队

柔性磁电功能材料与器件团队是隶属于中科院磁性材料与器件重点实验室和浙江省磁性材料及其应用技术重点实验室的创新性研究平台，当前重点开展了柔性磁电功能材料与传感器以及多功能阻变信息存储材料与器件的研究。研究室与国内外多家著名研究机构，包括美国密歇根大学、美国路易斯安那州立大学、美国亚利桑那大学、美国布鲁克海文实验室、新加坡国立大学、南洋理工大学、日本东北大学、日本国家材料科学研究所、日本大阪大学、德国马普所、德国德累斯顿亥姆霍兹研究中心、德国莱布尼兹固态和材料研究所、荷兰阿尔托大学、澳大利亚斯威本科技大学以及国内的研究院所建立了密切联系。同时，为推广高新技术的成果转让和产业化，研究室与多家企业建立了紧密的合作关系。

审核编辑 ：李倩