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背景介绍
液态金属由于具有高拉伸性、高导电性、无毒性和可回收性，被认为是电子皮肤的一种理想电极材料。由于其超高的表面张力，使得液态金属与另一种不同材料之间的界面难以稳定。因此，制作电子皮肤液态金属电极的一种传统方法是使用弹性体进行封装。但是封装型液态金属电极在拉伸时容易产生泄漏，而且其液态金属层不能与皮肤直接接触，这在很大程度上降低了其用于监测人体电生理信号的质量。另一种传统的方法是将液态金属分散在特定的溶剂中，然后将其印刷在某种衬底的表面。然而，印刷型液态金属电极由于不具有自支撑结构难以进行转移和回收，而且其液态金属层在衬底的拉伸作用下容易发生断裂，从而降低电极的导电性。因此，发展一种具有良好的拉伸性、自支撑、导体暴露的液态金属电极是解决传统液态金属电极这些问题的迫切需要。文章亮点
近日，郑州大学毛彦超教授在ACSNano上发表了Kirigami液态金属纸电极用于多功能电子皮肤的研究。利用Kirigami剪纸方法发展了一种Kirigami液态金属纸电极，这种液态金属电极兼具自支撑、导体暴露、可拉伸、超薄、可回收的优点。通过Kirigami剪纸方法对EGaIn基复合液态金属纸电极进行加工，制备了具有三种不同结构的Kirigami液态金属纸电极，包括单轴、双轴和方形螺旋结构（图1）。分别对三种不同的剪纸结构的电极进行了力学理论分析。并以单轴结构的电极为代表进行了应力-应变测试实验，结果表明该电极具有较好的拉伸性。通过利用有限元方法对单轴结构电极应变过程中的应力分布进行模拟，在不同的应变条件下应力分布均匀，并将实验结果与模拟结果进行了比较。图1.单轴、双轴和方形螺旋三种不同结构Kirigami液态金属纸电极的力学模型。其中以单轴结构电极为代表的应力-应变测试曲线、不同拉伸应变下的照片和有限元应力分布模拟结果
与人体心电、肌电等其他电生理信号相比，脑电信号更加微弱，且容易受头皮的影响，因此精确地测量人体脑电信号一直是一个较大的挑战。将一个双轴结构电极液态金属的包裹层擦除，使导体层暴露并直接接触皮肤，并将其贴在受试者的前额作为电子皮肤进行脑电信号采集。当受试者在思考、闭眼、睡觉三种不同状态下时，通过双轴结构电极采集到的脑电信号频率和强度表现出显著的差异（图2）。图2.基于双轴结构电极的电子皮肤用于采集不同状态下的人体脑电信号
利用Kirigami液态金属纸电极的传感性质，进一步开发了一个人机交互智能拨号通信系统（图3）。通过在双轴结构电极表面上擦写出九个方形导电区域，作为相应的拨号按键，并将其贴附在皮肤表面作为电子皮肤。结合微控制器进行信号处理，实现了利用该电子皮肤在皮肤表面给手机拨打电话的功能。图3.基于电子皮肤的智能拨号通信系统
总结/展望
利用Kirigami剪纸方法构建了单轴、双轴和方形螺旋三种结构的Kirigami液态金属纸电极，这种液态金属电极兼具自支撑、导体暴露、可拉伸、超薄、可回收的特性。该液态金属电极能够作为电子皮肤测量高质量的人体电生理信号，如脑电、心电和肌电信号。进一步开发了一个基于电子皮肤的人机交互智能拨号通信系统，实现了在皮肤表面拨打电话的功能。相比于传统的密封型或印刷型液态金属电极，这种Kirigami液态金属纸电极同时具有自支撑、导体暴露、可伸缩、超薄和可回收的优点。基于Kirigami液态金属纸电极的电子皮肤在健康监测和智能操控，以及智能机器人、虚拟现实、皮肤集成电子等方面具有较好的应用前景。相关论文发表在ACSNano上，郑州大学硕士研究生李星、副研究员朱鹏程为文章的共同第一作者，毛彦超教授为通讯作者。通讯作者信息：
毛彦超教授
毛彦超，郑州大学物理学院（微电子学院）教授、博士生导师。博士毕业于中山大学，曾在威斯康星大学麦迪逊分校从事研究工作。目前主要从事人机交互传感器和电子皮肤的研究，主要研究成果以第一/通讯作者发表在ACSNano,Adv.Funct.Mater.,EnergyEnviron.Sci.,Adv.EnergyMater.等国际著名学术期刊上。曾获河南省青年科技奖、中原青年拔尖人才。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等科研项目。担任FrontiersinChemistry客座编辑。相关研究成果曾被新华网、中国日报、科技日报、基金委科学传播中心、教育部科技发展中心,ScienceDaily,Phys.org,MaterialsToday,IEEESpectrum,NASATechBriefs等中外媒体作为研究亮点报道。主页链接：