基于液态金属的双向人机界面电子纹身，可用于健康监测等领域

人体皮肤作为双向界面，可以通过表皮电极将信息传入和传出人体。一方面，可以记录心电信号（ECG）和肌肉电信号（EMG），用于诊断心脏病和监测肌肉状态。另一方面，对皮肤施加电刺激，产生虚拟触觉感知，加速皮肤伤口的愈合，并治疗肌肉和神经相关疾病。将这些技术推进至可穿戴设备的关键步骤之一是可以长期使用的高性能表皮电极。这要求电极具有良好的透气性、导电性以及粘附性。

除此之外，人体皮肤除了手掌和脚底，大部分都覆盖有毛发，并且这些毛发皮肤富含敏感的触觉神经。将电极直接贴在或涂在有毛发的皮肤上会导致毛发被粘在电极和皮肤之间，这会导致皮肤拉伸时产生疼痛感。对于长期佩戴的表皮电极而言，舒适度是不能忽略的一个重要参数。

为了解决以上两个问题，港科大杨征保教授团队联手港城大姚希教授团队设计了一种用于喷涂制造方法的水基液态金属导电墨水，命名为SE-tattoo。这种导电墨水由水性聚氨酯（WPU）、银片和镓铟合金（EGaIn）液态金属组成（图1b）。该墨水具有快速挥发的特性，仅仅20秒就可以形成导电纹身。所制备的电子纹身可以与皮肤紧密贴合，顺应皮肤的纹理结构，同时还具有良好的透气性。值得一提的是，在图中可以看到，毛发始终保持原来的直立状态，丝毫没有受到电极纹身对其的影响（图1c），这是实现良好舒适性的关键。

图1 SE-Tattoo的设计和应用  

图2 SE-Tattoo的表征

图3 SE-tattoo的性能表征  

研究人员展示了SE-Tattoo的应用前景，通过手腕SE-Tattoo，该系统允许人们在日常工作中以不易察觉的方式记录心电图信号，减少运动伪影。研究人员还强调了SE-Tattoo在运动训练辅助方面的适用性。通过SE-Tattoo记录的EMG信号显示出高信噪比（SNR），可以准确反映肌肉激活状态以及疲劳状态。

图4 SE-tattoo在生物电信号记录中的应用

此外，研究人员通过电触觉盲文显示器和触觉导航的应用，展现了SE-tattoo作为输入界面的多功能性。最后，研究人员构建了一个包含SE-tattoo、肌电传感器、触觉传感器和电触觉反馈设备的闭环控制系统，允许志愿者远程控制机械手以适当的力度抓取物体。

图5 SE-tattoo作为双向人机界面的应用

视频1 基于SE-tattoo的远程操作控制系统

综上所述，研究人员设计了具有生物相容性的导电墨水，并使用喷涂的方法解决了在毛发皮肤上制备干电极的问题。这项技术在健康监测、运动训练、远程操作和虚拟现实等方面具有潜在的应用价值。相关成果以“Imperceptible liquid metal based tattoo for Human-Machine interface on hairy skin”为题，发表在Chemical Engineering Journal期刊上。在读博士生林伟康、艾丽青、王源祎为共同第一作者，杨征保教授和姚希教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151595

审核编辑：刘清