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  近年來，可穿戴智能電子設(shè)備發(fā)展迅速，其中可用于監(jiān)控人體多種生理信號(hào)的電子皮膚作為一個(gè)新興且前景廣大的領(lǐng)域引來了越來越多的關(guān)注。然而，當(dāng)前這些可穿戴電子往往只能在人體處于靜態(tài)條件下獲得較好的信號(hào)，而當(dāng)人體在行走或處于其他運(yùn)動(dòng)中時(shí)，采集到的信號(hào)很容易收到較大的干擾，即運(yùn)動(dòng)偽影(Motion artifact)現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)偽影極大的阻礙了可穿戴電子在日常生活和醫(yī)療中的實(shí)際應(yīng)用。如何減輕甚至消除運(yùn)動(dòng)偽影是可穿戴電子領(lǐng)域的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

  最近美國(guó)休斯敦大學(xué)(University of Houston)的余存江(Cunjiang Yu)教授課題組近期以“Ultra-conformal drawn-on-skin electronics for multifunctional motion artifact-free sensing and point-of-care treatment”為題在Nature Communications雜志上報(bào)道了一種新型的生醫(yī)電路。不同于目前大多數(shù)電子貼片類型的可穿戴器件，此類電路是直接“寫”在皮膚上的(Drawn-on-skin electronics：DoS electronics)。這種新形式的生物電路可以用于監(jiān)測(cè)各種電生理信號(hào)同時(shí)不受運(yùn)動(dòng)偽影的影響，也可以用于促進(jìn)任意形狀皮膚傷口的愈合。

  除此之外，該DoS electronics技術(shù)還具備以下優(yōu)點(diǎn)：1）可以直接寫出各種電子器件，比如晶體管，傳感器；2）直寫電路的工具很簡(jiǎn)易 –墨水筆配上電子墨水， 制作方法非常簡(jiǎn)單–寫或者畫；3）電路可以寫在不平整的皮膚表面，生醫(yī)電路直接寫到皮膚上而不是貼到皮膚上；4）電路損壞后易于修復(fù)–重復(fù)寫；5）電路與皮膚的界面緊密連接而不受運(yùn)動(dòng)影響；6）可以監(jiān)測(cè)到多種電生理，物理信號(hào)而不受運(yùn)動(dòng)偽影的影響；7）不僅可以用于檢測(cè)，還可以用于治療，比如任意形狀的皮膚傷口的愈合。

  該器件的制備不需要任何復(fù)雜儀器，用一根普通的圓珠筆灌上各種電子墨水，再輔以電路模板即可在皮膚上直接寫出各種電路。這些電子墨水包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)。將電子墨水直接寫在皮膚上的制備工藝可以使液態(tài)墨水充滿皮膚表面的微觀結(jié)構(gòu)，從而使電路緊密、牢固且不受皮膚運(yùn)動(dòng)影響地貼合在人體皮膚上。

圖1：DoS電路制備流程

  研究人員在仿制皮膚及人體皮膚上測(cè)試了多種DoS傳感器的性質(zhì)。包括晶體管、應(yīng)力傳感器、熱激勵(lì)器、溫度傳感器以及皮膚水分傳感器等器件在被拉伸的條件下進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)，研究人員通過一套藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使DoS生物電路及傳感器可以無線地對(duì)人體進(jìn)行心電圖信號(hào)監(jiān)控。

圖2：應(yīng)用于人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的DoS傳感器

  同時(shí)，研究人員對(duì)比了DoS電極、商業(yè)凝膠電極以及超薄蛇形網(wǎng)狀電極在不同條件下測(cè)量人體皮膚電生理信號(hào)時(shí)的性能。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DoS電極在皮膚出汗情況下測(cè)試、耐久測(cè)試以及與皮膚的粘著力測(cè)試中都表現(xiàn)出等同或超出其他器件的性能。在另一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)偽影影響的測(cè)試中，研究人員用三種電極測(cè)試了皮膚在被間隔性拉伸或收縮，以及處于振動(dòng)條件下的心電圖信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比于另外兩種器件，DoS電極對(duì)于抑制運(yùn)動(dòng)偽影的影響以及提高信噪比等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖3：運(yùn)動(dòng)偽影對(duì)DoS電極、商業(yè)凝膠電極以及超薄蛇形網(wǎng)狀電極性能影響的對(duì)比

  此外，研究人員嘗試將DoS電路應(yīng)用于即時(shí)皮膚創(chuàng)傷治療。如前所述，DoS傳感器的一大優(yōu)勢(shì)就是其簡(jiǎn)單、不需要復(fù)雜的儀器的制備流程，這一優(yōu)點(diǎn)使其在有限資源地區(qū)（如戰(zhàn)場(chǎng)）有較大的應(yīng)用前景。DoS電路應(yīng)用于皮膚創(chuàng)傷治療的另一大優(yōu)勢(shì)是其可以針對(duì)傷口的形狀和大小進(jìn)行電路的訂制。研究人員通過DoS電極對(duì)一只老鼠背部皮膚傷口的上半部分進(jìn)行電刺激，結(jié)果發(fā)現(xiàn)被刺激的部分傷口愈合得更快，以此驗(yàn)證了將DoS電路應(yīng)用于即時(shí)皮膚創(chuàng)傷治療的可行性。

圖4：DoS電極可加速皮膚傷口愈合

  該研究工作提出了一種直接寫在皮膚上的新型生物電路，憑借其簡(jiǎn)單且可訂制的制備流程、不受運(yùn)動(dòng)偽影影響、以及具備多種功能（可監(jiān)測(cè)也可治療）等優(yōu)點(diǎn)，此技術(shù)為柔性可穿戴電子器件的發(fā)展提供了一個(gè)新的思路。同時(shí)，此技術(shù)也還具有諸多可以進(jìn)一步發(fā)展完善的地方，包括對(duì)墨水材料、器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化以及更多復(fù)雜功能的集成等等。

  文章的第一作者是休斯頓大學(xué)余存江教授課題組的博士生Faheem Ershad，其他作者包括余教授課題組的學(xué)生Anish Thukral，Phillip Comeaux，Ross Guevara, 路運(yùn)濤，Hyunseok Shim, 饒州鋁，張永操，潘鳳嬌，王旭，博士后管英士, Kyoseung Sim(現(xiàn)為韓國(guó)UNIST助理教授), 以及蘭州大學(xué)的訪問學(xué)者王鵬博士，等等。文章作者還包括合作者來自于美國(guó)芝加哥大學(xué)吳小陽(yáng)教授以及課題組的Jiping Yue博士。文章的通訊作者為余存江教授。

  文章鏈接：

  Faheem Ershad, Anish Thukral, Jiping Yue, Phillip Comeaux, Yuntao Lu, Hyunseok Shim, Kyoseung Sim, Nam-In Kim, Zhoulyu Rao, Ross Guevara, Luis Contreras, Fengjiao Pan, Yongcao Zhang, Ying-Shi Guan, Pinyi Yang, Xu Wang, Peng Wang, Xiaoyang Wu, and Cunjiang Yu*, Ultra-Conformal Drawn-on-Skin Electronics for Multifunctional Motion Artifact-Free Sensing and Point-of-Care Treatment, Nature Communications, 11, 3823, 2020. https://doi.org/10.1038/s41467-020-17619-1

余存江教授簡(jiǎn)介

  余存江現(xiàn)為美國(guó)休斯敦大學(xué)機(jī)械工程系Bill Cook副教授，并兼任于電子與計(jì)算機(jī)工程以及生物醫(yī)學(xué)工程。獲得NSF CAREER Award, ONR Young Investigator Award, MIT Technology Review Inaugural Chinese Top Innovators, SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award, etc。課題組目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。目前課題組畢業(yè)學(xué)生出路主要為博后和教職。課題組網(wǎng)頁(yè):http://yu.me.uh.edu/

課題組近期代表作：

Nature Communications, 11, 3823, 2020. Nature Communications, 11, 2405, 2020. Science Advances, 2020. Nature Electronics, 2020. Science Advances, 5, eaax4691, 2019. 

Nature Electronics, 2, 471, 2019. Science Advances, 5, eaav9653, 2019. Science Advances, 5, eaav5479, 2019. Science Advances, 3, e701114, 2017. Science Advances, 3, e1701222, 2017.

招生信息：

課題組現(xiàn)招收1名博后(組織工程，器官芯片)以及若干名博士生(有機(jī)及無機(jī)電子，生物醫(yī)學(xué)工程)