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  大范圍表皮電生理學(xué)測量廣泛用于疾病診斷、生理監(jiān)控、人機(jī)交互等。新興電子紋身與商業(yè)凝膠電極相比，可以實現(xiàn)無感穿戴，被認(rèn)為下一代可穿戴技術(shù)。但是，現(xiàn)有技術(shù)制備電子紋身尺寸一般在厘米級，難以實施人體皮膚的大面積電生理測量。電子紋身從小面積擴(kuò)展為大面積后面臨巨大的挑戰(zhàn)有長互連表皮連接線的信號干擾、曲面皮膚和平面器件的幾何沖突以及大面積制造。華中科技大學(xué)黃永安教授研究團(tuán)隊和德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校魯南姝（NanshuLu）教授研究團(tuán)隊為電子紋身大面積化提供了系統(tǒng)性的解決方案，包括信號補(bǔ)償設(shè)計、近零應(yīng)變的Cartan轉(zhuǎn)印方法和高效低成本的大面積制備方法。

  大面積電子紋身貼附在皮膚上，使得其中的表皮電極和表皮連接線會同時采集到廣泛分布的生理信號（圖1），而表皮連接線的特征長度往往遠(yuǎn)大于表皮電極，因此無法像小面積電子紋身那樣，忽略表皮連接線對電極信號的干擾——這是大面積電子紋身的第一個挑戰(zhàn)！人體皮膚是一個非可展曲面，致使大面積電子紋身在貼附過程中就出現(xiàn)褶皺、拉伸等破壞行為。這種現(xiàn)象造成電子器件“出師未捷身先死”，這是大面積電子紋身的第二個挑戰(zhàn)！此外，基于當(dāng)前微電子光刻工藝制備的電子紋身隨著尺寸的增大，成本和時間快速增加，這是大面積電子紋身的第三個挑戰(zhàn)！

圖1 廣泛分布的電生理信號。插圖為大面積表皮電子貼附于手臂、胸部和頸部

  最近，華中科技大學(xué)黃永安教授研究團(tuán)隊和德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校魯南姝（Nanshu Lu）教授研究團(tuán)隊針對電子紋身應(yīng)用于人體大面積生理特性監(jiān)測（圖一插圖）的面積約束，提出了大面積表皮連接線對電極信號的干擾、皮膚非可展的幾何特性、制造成本和效率等創(chuàng)新解決方案，成功實現(xiàn)了手勢識別，假肢控制，頸部肌電云圖和多通道心電等多項應(yīng)用，該研究成果以“Electrically-compensated, tattoo-like electrodes for epidermal electrophysiolo gyat scale”為題，于10月23日發(fā)表于Science Advances。

  不同于前人的集中參數(shù)模型，研究人員首先建立了電極-皮膚的分布參數(shù)電學(xué)模型，在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)了信號補(bǔ)償理論。為了證明該理論的可行性，研究人員設(shè)計了一個巧妙的實驗：表皮電極和表皮連接線分別采集兩種特征迥異的生理信號——心電信號和肌電信號。將補(bǔ)償前后的信號與標(biāo)準(zhǔn)的心電信號對比，表明該理論能夠很好地消除表皮連接線所采集的生理電勢信號的干擾（圖2）。

圖2 信號補(bǔ)償理論及其實驗驗證方案

  研究人員從數(shù)學(xué)領(lǐng)域擷取了Cartan展開的概念，把電子紋身設(shè)計成Cartan曲線，理論證明通過Cartan轉(zhuǎn)印可以把鏤空電子紋身轉(zhuǎn)印到任意非可展曲面，同時保證了電子紋身不發(fā)生軸向拉伸和面內(nèi)彎曲，理論計算和仿真均表明：通過Cartan轉(zhuǎn)印得到的曲面電子器件的應(yīng)變比常規(guī)轉(zhuǎn)印的應(yīng)變小3~4個數(shù)量級，近乎為零（圖3）。Cartan轉(zhuǎn)印要求電子紋身呈鏤空網(wǎng)狀，這種特性不僅僅讓皮膚感受不到電子器件的力學(xué)約束，更能讓體內(nèi)汗液和熱量順暢地排出（圖4）。此外，研究人員在低成本高效率的‘Cut-and-Paste’工藝基礎(chǔ)上，開發(fā)了適宜大面積鏤空電子紋身的整套工藝流程，避免了價格高昂的微電子工藝。

圖3 用于自然貼附的Cartan轉(zhuǎn)印原理及其相應(yīng)的仿真

圖4 大面積電子紋身的自然貼附性能

  得益于突破“電路信號補(bǔ)償-大面積制造-近零應(yīng)變轉(zhuǎn)印”等瓶頸，研究人員展示了大面積電子紋身在未來數(shù)字健康、高精度人機(jī)交互等領(lǐng)域的成功應(yīng)用（圖5）。英文字母手語識別、單詞字母連續(xù)識別和實時假肢控制等技術(shù)為殘障人士進(jìn)行高性能人機(jī)自然交互提供可能；頸部肌電云圖采集有助于語音康復(fù)、吞咽功能評估、頸椎病監(jiān)測等；多通道的心電監(jiān)測可以反映心臟不同部位的狀況，實現(xiàn)心律不整、心悸等多種心臟疾病的監(jiān)測。

圖5 大面積電子紋身的應(yīng)用實例——手語識別、假肢控制、頸部肌電云圖

  華中科技大學(xué)王攸華博士研究生為論文的第一作者，其本科畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，現(xiàn)為華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生。黃永安教授和魯南姝（Nanshu Lu）教授為論文的共同通訊作者。其余作者包括尹浪、白云昭、劉思祎（德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校）、王柳（麻省理工學(xué)院）、周瑩、侯超、楊朝宇、吳昊、馬加冀、申曜鑫、鄧鵬飛、張樹昌、段堂健、李則含、任君暉、肖琳、尹周平教授。

  原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eabd0996