研究背景

近年来，用于日常健康监测的电子皮肤(e-skins)因其在日常生理信号监测方面的优势而获得了快速发展: (1)电子皮肤的柔性基底可以附着在人体皮肤上，具有较高的适应性，有助于采集更高质量的生理信号。(2) 电子皮肤已经从单模发展到多功能，其出色的检测性能显示了其在医疗层面的巨大应用潜力。(3)由于电子皮肤具有较高的系统集成潜力，它正在成为系统化地实现生理信号的采集和诊断，像"便携式医生“一样适用于日常健康管理。因此，许多用于可穿戴式日常生理信号监测的高性能电子皮肤已经被开发出来。同时，对日常和长期生理信号监测的需求，对电子皮肤的发展提出了更高的要求。

随着人们对通过电子皮肤进行长期、舒适的生理信号监测的需求不断增加，近年来，透气(透风)电子皮肤引起了人们的特别关注。透气电子皮肤可以避免汗液的积累，大大提高了长期佩戴的舒适度。根据监测信号的类型，用于日常长期生理信号监测的透气电子皮肤可分为两大类。一种是用于电生理信号监测的透气电子皮肤电极，包括心电图(ECG)电子皮肤电极、脑电图(EOG)电子皮肤电极、肌电图(EMG)电子皮肤电极、脑电图(EEG)电子皮肤电极等。另一种是可呼吸的电子皮肤传感器，用于检测物理生理信号(肺部、呼吸声、血压、体温等)和化学生理信号(葡萄糖、乙醇、电解质等)。此外，还有用于检测多种生理信号的多功能透气电子皮肤。根据不同的生理信号或多种生理信号的监测要求，透气电子皮肤的功能材料、结构、制作工艺等都是多种多样的。此外，考虑到检测和分析生理信号的要求，检测和分析生理信号的系统集成要求，用于日常健康监测的电子皮肤正变得更加多功能、更加集成、更加智能，以实现类似医生的日常保健系统。
研究成果清华大学杨轶教授、刘厚方、任天令教授等人在这篇综述中，系统地介绍和讨论了用于日常生理监测的透气电子皮肤的最新成果。通过将其分为可呼吸电子皮肤电极、可呼吸电子皮肤传感器和可呼吸电子皮肤系统，我们梳理了其设计思路、制造工艺、性能和应用，并展示了其在日常生活中长期生理信号监测方面的优势。此外，还讨论和展望了可呼吸电子皮肤的发展方向和挑战。相关报道以“Breathable Electronic Skins for Daily Physiological Signal Monitoring”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

综述要点

1. 这项工作回顾了近年来用于日常生理信号监测的透气性电子皮肤(e-skins) 的发展。2. 系统地介绍和讨论了这些年开发的典型透气电子皮肤电极、透气电子皮肤传感器和透气电子皮肤系统的设计方法、制备工艺和性能。3. 本综述分析了可呼吸电子皮肤在日常健康监测中可能面临的挑战，并提出了可呼吸电子皮肤的可能发展方向。

图文导读

Fig. 1 a Schematic illustration of the dual-gradient poly (ionic liquid) nanofiber-based e-skin electrode. b SEM images of textile e-skin made from different conductive elastomeric fibers. c Photograph and SEM images of the substrate-free e-skin on the human skin. The scale bars represent 1 cm and 200 μm， respectively. d Fabrication process of the imperceptible graphene-based EOG e-skin electrode. e EOG headband with graphene textile e-skin electrodes. f EOG e-skin integrated with an eye mask.

Fig. 2 a The all-nanofber-based e-skin electrode with directional sweat transport properties. b SEM images of textile electrodes made from different conductive elastomeric fibers. c The Au-PVA nanomesh e-skin. d LSG-PU nanomesh e-skin electrode. e Porous elastomer-carbon nanotube e-skin electrode based on 3D-printed sugar scaffold. f Graphene tattoo-like EEG electrode. g The vapor-printed breathable electrodes on plants. h Nanomesh e-skin is detecting ECG signals of cardiomyocytes.

Fig. 3 a Photograph and structure of the nanomesh-based tactile sensor. b The fabrication process of the porous TPU film and its photographs. c The fabrication process and the structure of the plant-based body motion detecting e-skin. d Schematic illustration of the all-textile body motion detecting e-skin. e The skin-inspired respiratory sensor. f The structure of the all-nanofiber respiratory sensor. g The structure of the breathable and degradable pules sensor. h The structure of the hydrogen-bond-triggered hybrid nanofibrous pulse sensor.

Fig. 4 a Photograph and SEM image of the nanomesh-based humidity sensor. b Structure of the breathable e-skin inspired by the sweat pore. c The fabrication process of the self-healable electronic tattoos. d Preparation process of the superhydrophobic textile-based e-skin. e The breathable and self-supporting glucose sensor. f The structure of the all-nanofiber[1]based cardiac sound sensor. g Schematic illustration of the silk-MXene human voice detector. h The structure of the breathable contact lens.

Fig. 5 a Schematic illustration of the multifunctional and anti-jamming e-skin system and its preparation method. b A versatile breathable textile-based e-skin system. c The fully integrated breathable e-skin system based on graphene-cellulose paper. d The breathable e-skin system with temperature sensing and wound treating abilities. e The intelligent algorithm model used by the graphene nanomesh e-skin. f The breathable e-skin used for human–machine interfaces.

Fig. 6 More multifunctional， integrated， and smarter e-skin. a Photograph of the e-skin containing strain sensors， temperature sensor， and humidity sensor. b Self-powered e-skin for intelligent control. c Closed-loop e-skin systems. d Perspiration-powered e-skin for multiplexed wireless sensing. e Potential capabilities and technologies that could be achieved with e-skins.

总结与展望

作者系统地介绍了近年来开发的用于日常生理信号监测的可呼吸电子皮肤。通过将它们分为可呼吸电子皮肤电极、可呼吸电子皮肤传感器和可呼吸电子皮肤系统，详细介绍了它们，梳理了它们的设计思路、制造工艺、性能和应用，并分别展示了它们在长期生理信号监测中的优势。

通过对一些典型例子的不同生理信号监测类型、透气性、材料和制造方法的平行比较，总结了近年来透气电子皮肤的特点。在制造方法和材料方面，一个突出的特点是基于有机材料的电纺技术在透气电子皮肤电极和传感器中发挥了重要作用。这要归功于电纺工艺的快速、简单、低成本和可定制的特点；透气性来自于电纺织物的多孔结构，而穿着舒适性和保形附着力则来自于电纺织物的薄而柔软的特点。此外，电纺面料的良好附着性可以带来更好的信号监测质量和设备稳定性，这有助于避免佩戴电子皮肤对人体日常活动的干扰，避免人体日常活动对电子皮肤性能的干扰。除了电纺电子皮肤外，无基材或类似纹身的电子皮肤也取得了很大进展，因为它更容易实现与皮肤的透气和无感附着。然而，面对日常的长期穿着，他们必须克服因无基底而导致的耐久性和稳定性的降低，以及克服加工难度和设备可靠性的挑战。

对于电子皮肤的透气性，有各种评价方法，且标准也不统一。尽管有相当多的工作是通过水蒸气渗透性来评价透气性，但通过水蒸气测量电子皮肤透气性的实验条件也是不同的。例如，有些工作使用环境温度和压力来测试水汽渗透性，而有些工作面对可穿戴的应用，使用体温来测试水汽渗透性。此外，环境湿度、测试设备和记录时间都不同。这妨碍了对透气性的评估和对不同透气性的电子皮肤的平行比较。此外，对于用于评价电子皮肤透气性的参数，如汗液传输率(STR)和水汽传输率(VTR)， 目前，透气性电子皮肤的VTR测试多于STR测试。这部分是由于进行STR测试的难度。然而，STR可能是反映电子皮肤透气性的一个更好的参数，它适用于日常长期穿着的应用场景。一般来说，对于薄膜的透气性测试，ISO 9239-1995是被广泛认可的测试标准，被许多研究者所参考。目前，增加基材的孔隙率是一种广泛使用的提高电子皮肤透气性的方法。后续研究元件和电路在基板上的布局，以及在确保电子皮肤的可靠性和稳定性的同时增加孔隙率是目前的研究重点。

新型低维纳米材料如石墨烯、碳纳米管和MXene因其优异的性能在透气电子皮肤的研究中发挥着重要作用。除了它们的优点外，新型低维纳米材料在透气电子皮肤应用中的共同优势包括。(1) 它们作为电极导电材料时具有许多物理和化学优势，包括大的比表面积和适合粘附在像人类皮肤这样的柔性界面.上的柔韧性，这有助于降低电极-皮肤的接触阻抗，保证高质量的信号采集。(2)易于实现液相加工，适用于浸涂、喷涂等简单工艺制作透气的电子皮肤; (3) 具有良好的电性能，适用于作为电子皮肤电极、传感器和系统的导电材料; (4)由于制备技术的进步，与传统的贵金属材料相比，其成本有所降低等；(5) 它们的生物相容性和稳定性符合日常长期皮肤磨损的要求。总之，随着相关材料的发展，基于新型低维纳米材料的透气电子皮肤有望在未来一段时间内得到蓬勃发展。根据对近年来各种先进的透气电子皮肤的分析，我们认为未来的透气电子皮肤可能有以下三个重要的发展方向: (1) 透气电子皮肤的功能越来越多，可以监测、处理、传输甚至分析更多种类的信号。(2) 可呼吸的电子皮肤正变得更加系统。随着集成度的提高，电子皮肤可以在原地完成各种任务，成为一个多合一的系统。(3)可呼吸电子皮肤正变得更加智能。它们的信息处理效率将大大提高，可以实现信号诊断的功能。

文献链接Breathable Electronic Skins for Daily Physiological Signal Monitoring，

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00911-8