工程师无需加热即可直接在皮肤上打印可穿戴式传感器

　　一个国际研究团队通过一个新颖的层来帮助传感器的金属成分结合，从而将传感器打印在人体皮肤上。

　　可穿戴式传感器正在从手表和电极演变为可弯曲的设备，为用户提供更精确的生物识别测量和舒适度。现在，一个国际研究团队将进化又向前推进了一步，他们将传感器直接打印在人体皮肤上，而不需要使用热量。

　　在宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系教授Cheng的带领下，该团队在ACS Applied Materials & Interfaces上发表了他们的成果。

　　“在这篇文章中，我们报告了一种简单而又普遍适用的制造技术，使用新型烧结辅助层，实现了对体上传感器的直接打印。”第一作者、中国哈尔滨工业大学研究员张玲（Ling Zhang）在Cheng的实验室中说道。

　　Cheng和他的同事们之前开发了用于可穿戴传感器的柔性印刷电路板，但直接在皮肤上印刷一直受到传感器中金属元件的粘合工艺的阻碍。这个过程被称为烧结，通常需要华氏572度左右的温度--300摄氏度，才能将传感器中的银纳米颗粒粘合在一起。

　　“显然，皮肤表面无法承受如此高的温度，”Cheng说。"为了绕过这个限制，我们提出了一个烧结辅助层--不会伤害皮肤的东西，可以帮助材料在较低的温度下烧结在一起。"

　　通过在混合物中加入纳米粒子，银粒子在较低的温度下烧结，温度约为212华氏度（100摄氏度）。

　　“这可以用来在衣服和纸张上打印传感器，这是有用的，但它仍然高于我们可以忍受的皮肤温度，”Cheng说，他指出，大约104华氏度 - 40 C - 仍然可以燃烧皮肤组织。“我们改变了辅助层的配方，改变了印刷材料，发现我们可以在室温下烧结。”

　　室温烧结辅助层由聚乙烯醇浆料--可剥离面膜的主要成分--和碳酸钙--组成蛋壳。该层减少了印刷表面的粗糙度，并允许金属图案的超薄层，可以弯曲和折叠，同时保持机电能力。当传感器被打印出来后，研究人员使用空气鼓风机，例如设置在冷却状态下的吹风机，以去除墨水中作为溶剂的水。

　　“这个结果是深刻的，”Cheng说。“我们不需要依靠热量来烧结。”

　　据Cheng介绍，这些传感器能够精确、连续地捕捉温度、湿度、血氧水平和心脏性能信号。研究人员还将身上的传感器连接到一个具有无线传输功能的网络中，以监测信号的组合进度。这个过程也是环保的。传感器在温水中可以保持几天的健壮性，但热水淋浴会很容易将其移除。

　　“它可以被回收，因为移除不会损坏设备，”Cheng说。“而且，重要的是，移除也不会损坏皮肤。这对于皮肤敏感的人来说尤其重要，比如老人和婴儿。该设备可以在不对使用它的人或环境造成额外负担的情况下发挥作用。”

　　下一步，研究人员计划根据需要改变该技术以针对特定的应用，比如放置一个精确的体表传感器网络，以监测与COVID-19相关的特殊症状。

　　其他贡献者包括纪红军、谢森培、李耀银、叶子恒、林铁松、刘向利、冷雪松、李明宇、冯鹏东、张嘉恒和马星，他们都隶属于哈尔滨工业大学；黄厚兵和史晓明都隶属于北京工业大学；宁毅隶属于宾州大学材料科学与工程系。

　　这项工作得到了宾州大学、国家科学基金、美国化学会石油研究基金、深圳市科技计划、深圳市工业和信息化局和国家科学基金的支持。