摘要
关键词
- 三维液体二极管（3D Liquid Diode, 3D LD）
- 可渗透电子器件（Permeable Electronics）
- 柔性传感器（Flexible Sensors）
- 汗液管理（Sweat Management）
- 方向性液体传输（Directional Liquid Transport）
- 人体健康监测（Health Monitoring）
- 可穿戴设备（Wearable Devices）
研究背景
随着健康监测需求的增加，可穿戴电子设备尤其是皮肤集成设备已成为实现人体生理信号长期监测的重要工具。然而，当前的可穿戴设备面临电子材料透气性不足的挑战，导致长时间佩戴后汗液堆积，影响设备的舒适性和信号稳定性。尽管诸如超薄膜、纳米纤维和纺织结构等设计提供了初步解决方案，但这些技术仍主要应用于简单传感器或电极，无法满足复杂多功能电子系统的要求。本研究提出的3D LD设计突破了这一局限，通过结合方向性汗液输运和可渗透电子器件，展示了新一代集成化、透气性优异的可穿戴电子设备。
创新点
- 提出了基于3D液体二极管的方向性汗液输运技术。
- 实现了远超人体汗液速率的高效汗液排放能力（11.6 ml cm^-2 min^-1）。
- 结合横向和纵向输运，解决了长期佩戴中的汗液堆积问题。
- 支持皮肤和纺织集成的高性能电子器件开发。
- 设计了可拆卸、更可持续的模块化结构，提升了设备的经济性与实用性。
研究内容
本研究从材料加工、器件架构到系统集成提出了新型3D液体二极管（3D LD）。其创新之处在于利用水平液体二极管（HLD）和垂直液体二极管（VLD）实现汗液的单向传输。实验表明，该设计能够快速从皮肤界面自泵送汗液到出口，流速高达11.6 ml cm^-2 min^-1，远超运动时人体的生理排汗速率。此外，通过磁耦合设计，3D LD允许电子组件模块化拆卸和重复利用，从而降低了设备成本。具体应用包括集成在柔性电路中的心电监测器和纺织气象监测站，前者能够在运动和汗液环境下提供稳定的ECG信号，后者则可实时记录温度、湿度及其他环境参数。研究还通过用户实验验证了3D LD在舒适性、信号质量和热管理方面的显著优势。
(a) 传统柔性电子器件（左）与可渗透电子器件（右）的比较。可渗透设计通过增强透气性和汗液排出性改善信号稳定性、粘附强度以及汗液条件下的佩戴舒适性。 (b) 集成系统级汗液可渗透电子器件示意图，包括可渗透电极、3D LD和柔性电路板。蓝色箭头表示从皮肤到出口的汗液路径。分解视图展示了通过电极、垂直液体二极管（VLD）和水平液体二极管（HLD）进行单向汗液传输的过程。 (c) 使用商业电极和可渗透电极在运动前后记录的心电图（ECG）信号。 (d) 在20分钟篮球锻炼前后评估的电极-皮肤界面粘附强度。柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=6 \)。 (e) 不同电极在佩戴3天后的皮肤刺激性评估。柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=6 \)。 (f) 基于皮肤集成和纺织品的汗液可渗透电子器件，提升了佩戴舒适性和长期监测能力。
(a) 3D LD的横截面表示，展示从皮肤-设备界面到出口的单向汗液传输。 (b) 蛇形互连设计，促进汗孔上方的开放通道形成。比例尺：0.5 mm。 (c) 可渗透电极在出汗条件下保持稳定的贴合性，比例尺：2 mm。 (d) 放大的视图显示开放通道中的汗液引流，黄色虚线圈出汗液液滴，比例尺：0.5 mm。 (e) VLD中单向汗液传输的机制。 (f) VLD在引流状态下的照片，比例尺：5 mm。 (g) 单通道VLD在0.9 ml/min流速下的抗重力汗液传输，比例尺：1 mm。 (h, i) 不同处理条件下单通道的汗液传输速率（h）和斑点尺寸（i）分析。 (j) 人体在体力活动中汗液排放率与VLD的对比。 (k) 原始织物（PF）、超疏水织物（SF）和VLD的WVTR比较。柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。 (l) VLD在拉伸、弯曲和扭曲下的汗液传输速率。柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。 (m) VLD单通道的长期稳定性评估，测试时间为30天。点表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。
(a) HLD中的单向汗液传输机制。 (b) HLD支持结构、支柱和表面涂层的扫描电子显微镜图像，比例尺分别为300 \(\mu m\)（支撑结构）、30 \(\mu m\)（支柱）和2 \(\mu m\)（涂层）。 (c) HLD在应力条件下的法向力分布计算模型预测。 (d) 不同PDMS表面的接触角测量结果，包括原始PDMS、等离子体处理PDMS、PVA涂覆PDMS和PVA/SiO\(_2\)纳米颗粒涂覆PDMS。 (e) 不同PDMS表面时间依赖的接触角测量。点表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=3 \)。 (f) 不同表面状态下HLD的汗液传输速率，柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。 (g) HLD的单向汗液传输能力，比例尺：横截面视图为1.5 mm，顶视图为5 mm。 (h) PDMS膜和3D LD在气体和汗液可渗透性方面的对比，比例尺：0.5 cm。 (i) HLD在弯曲和拉伸条件下的连续汗液传输，比例尺：1 cm。 (j) 3D LD变形条件下的汗液传输流体模拟。
(a) HLD中的单向汗液传输机制。 (b) HLD支持结构、支柱和表面涂层的扫描电子显微镜图像，比例尺分别为300 \(\mu m\)（支撑结构）、30 \(\mu m\)（支柱）和2 \(\mu m\)（涂层）。 (c) HLD在应力条件下的法向力分布计算模型预测。 (d) 不同PDMS表面的接触角测量结果，包括原始PDMS、等离子体处理PDMS、PVA涂覆PDMS和PVA/SiO\(_2\)纳米颗粒涂覆PDMS。 (e) 不同PDMS表面时间依赖的接触角测量。点表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=3 \)。 (f) 不同表面状态下HLD的汗液传输速率，柱高度表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。 (g) HLD的单向汗液传输能力，比例尺：横截面视图为1.5 mm，顶视图为5 mm。 (h) PDMS膜和3D LD在气体和汗液可渗透性方面的对比，比例尺：0.5 cm。 (i) HLD在弯曲和拉伸条件下的连续汗液传输，比例尺：1 cm。 (j) 3D LD变形条件下的汗液传输流体模拟。
(a) 使用3D LD的可穿戴电子设备与人体皮肤的结合示意图。 (b) 长时间佩戴3天后，3D LD设备的生物相容性测试结果，包括局部皮肤刺激程度的定量分析。 (c) 佩戴不同设备（商用ECG电极和基于3D LD的设备）后皮肤温度分布的热成像图。 (d) 佩戴前后（第0天和第3天）心电图（ECG）信号对比。 (e) 佩戴设备后，不同时间点记录的心电图（ECG）信号，显示信号稳定性和设备的长期可靠性。 (f) 30天内3D LD设备的汗液传输速率变化，点表示平均值；误差棒表示标准差；样本数量 \( n=5 \)。 (g) 在动态拉伸和弯曲测试后设备的功能性验证，显示设备在复杂机械变形条件下仍然可以正常工作。比例尺：2 \(\text{cm}\)。
结论与展望
3D液体二极管通过显著提高汗液排放效率，为长期健康监测中的热管理和佩戴舒适性提供了创新解决方案。在实现系统级功能集成的同时，具备优异的汗液和气体渗透性，为未来高性能、用户友好的可穿戴设备开发奠定了基础。未来研究可在材料优化和大规模制造技术方面继续推进，同时开发可清洗和可回收的粘性层以进一步提高设备的可持续性。
论文直达
原文标题：A three-dimensional liquid diode for soft, integrated permeable electronics
原文卷期号：Nature 204, 628, 84–92
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