【用于生物电信号监测的吸湿、透气和抗菌的PIL电子皮肤的制备及应用示意图】
【PIL电子皮肤的孔径梯度及润湿性梯度】
【PIL电子皮肤的单向导水机理】
【PIL电子皮肤的定向水分传输及透气透水性能】
研究人员通过突破压力的测试,验证了PIL基柔性电子皮肤两侧对水分表现出的巨大差异性,并通过水分管理测试仪进一步量化了PIL基柔性电子皮肤的定向透水性能。同时,多层堆叠的纳米纤维膜内部存在许多通道,使气体和水分子可以轻松地流动,从而保证了PIL电子皮肤具有优秀的透气和透水性能。
【PIL电子皮肤的抗菌性能】
PIL材料可以与带负电荷的细菌表面相互作用,使疏水链段(如烷基链)进入细菌脂质膜,导致细菌塌陷,破裂和死亡,因此具有广谱的抗菌性。研究人员以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus)和革兰氏阳性阴性大肠杆菌(E. coli)为模型进行了系统的抗菌性测试。结果显示,PIL电子皮肤具有优异的抗菌性能,抑菌率达99%以上,足以保证在使用时不会产生细菌感染。
【器件的组成结构及对生物电信号的收集】
人体中活跃的细胞或组织都会定期产生与其状况密切相关的电信号,研究人员通过制备出的PIL电子皮肤对这些电脉冲(如ECG信号)进行拾取和记录,使其可用于健康检测和医学诊断。此外,与普通凝胶电极相比,PIL基柔性电子皮肤即使在人体运动出汗的情况下,依然能够准确地获取到电信号,并且可以保持与皮肤接触界面的干爽,确保信号的稳定性和使用者的舒适度。
【通过对肌肉电信号的采集实现对机械手的控制】
此外,肌肉在运动时会产生肌肉电信号,使用PIL基柔性电子皮肤对这些信号进行收集,再通过模数转换和简单的逻辑判断,可以将肌肉电信号转换为计算机可识别的实时控制命令(例如开/关),由此实现初步的人机交互功能。
总而言之,研究人员制备出了由三层具有不同亲水性和孔径的PIL纳米纤维膜组成的电子皮肤,其具有优秀的吸湿排汗、透气性和抗菌性能,可以将人体皮肤与柔性电极界面之间产生的汗水快速排出,从而精确、稳定地收集人体的各种生物电信号(如ECG和EMG信号),并利用这些信号完成对机械手的实时操控。实现了在真实出汗的环境下,对人体电信号进行长期安全和稳定地收集,这对于促进持续健康监测、疾病诊断和人机交互的发展至关重要。
原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106570
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