受蜘蛛丝启发的隐形环保皮肤传感器

安德鲁·科塞利

研究人员开发了一种方法来制造自适应且环保的传感器，这些传感器可以直接且难以察觉地打印到各种生物表面上，无论是手指还是花瓣。

该方法由剑桥大学的研究人员开发，其灵感来自蜘蛛丝，蜘蛛丝可以贴合并粘附在各种表面上。这些“蜘蛛丝”还融入了生物电子学，因此可以将不同的传感功能添加到“网络”中。

“最大的挑战之一是摆脱现有的制造方法，并提出一种旋转机制来生产光纤传感器，”研究负责人兼教授 Yan Yan Shery Huang 告诉Tech Briefs 独家专访。

这些纤维比人的头发小至少 50 倍，重量非常轻，研究人员可以将它们直接打印到蒲公英蓬松的籽头上，而不会破坏其结构。当打印在人体皮肤上时，纤维传感器会贴合皮肤并暴露出汗孔，因此佩戴者不会察觉到它们的存在。对打印到人类手指上的纤维进行的测试表明它们可以用作连续的健康监测器。

“最初的想法是受到电子皮肤和蜘蛛丝结合的启发，”黄补充道。

这种用于增强生命结构的低废物和低排放方法可用于从医疗保健和虚拟现实到电子纺织品和环境监测的一系列领域。结果发表在《自然电子》杂志上   .

“首先制备由导电颗粒、透明质酸和聚合物粘合剂组成的水溶液，”黄解释了该过程。 “然后将该溶液注入注射器尖端，在尖端处形成微小的悬滴。然后旋转臂与悬滴接触，将悬滴拉伸到传感纤维中。”

尽管人类皮肤非常敏感，但通过电子传感器对其进行增强可以从根本上改变我们与周围世界互动的方式。例如，直接打印在皮肤上的传感器可用于持续健康监测、了解皮肤感觉，或者可以改善游戏或虚拟现实应用中的“现实”感觉。

虽然带有嵌入式传感器的可穿戴技术（例如智能手表）已广泛使用，但这些设备可能会令人不舒服、引人注目，并且会抑制皮肤的内在感觉。

制造可穿戴传感器的方法有多种，但这些方法都有缺点。例如，柔性电子产品通常印刷在不允许气体或湿气通过的塑料薄膜上，因此就像用保鲜膜包裹您的皮肤一样。其他研究人员最近开发了透气的柔性电子产品，例如人造皮肤，但这些仍然会干扰正常感觉，并且依赖于能源和废物密集型制造技术。

3D 打印是生物电子学的另一种潜在途径，因为它比其他生产方法浪费更少，但会导致设备更厚，从而干扰正常行为。旋转电子纤维产生的设备对用户来说是难以察觉的，但不具有高度的灵敏度或复杂性，并且它们很难转移到有问题的物体上。

现在，剑桥大学领导的团队开发了一种制造高性能生物电子学的新方法，可以通过将其直接打印到各种生物表面（从指尖到蓬松的蒲公英种子头）来定制该生物电子学。他们的技术部分灵感来自蜘蛛，蜘蛛使用最少的材料创造出适合其环境的复杂而坚固的网结构。

研究人员用 PEDOT:PSS（一种生物相容性导电聚合物）、透明质酸和聚环氧乙烷纺成生物电子“蜘蛛丝”。这种高性能纤维是在室温下由水基溶液生产的，这使得研究人员能够控制纤维的“可纺性”。研究人员随后设计了一种轨道旋转方法，使纤维能够变形为生命表面，甚至可以变形为指纹等微观结构。

在人类手指和蒲公英种子头等表面上对生物电子纤维进行的测试表明，它们提供了高质量的传感器性能，同时宿主无法察觉。

黄指出：“下一步是建立基于应用的场景，以确定传感器系统的哪些部分应该用难以察觉的纤维制成，其余部分可以使用现有的微加工设备/电子纺织品。”