电子皮肤是一种重要的无缝人机交互界面，在医疗监控和个人电子领域有着广阔的前景。液态金属(LM)已被认为是构建电子皮肤的一种理想电极材料。目前一种制作LM电极的传统方法是使用弹性体进行封装，但是封装型LM电极在拉伸时容易产生泄漏，而且其LM层不能与皮肤直接接触，从而降低了其用于监测人体电生理信号的质量中国化工网okmart.com。另一种传统的方法是将LM分散在适当的溶剂中，然后将其印刷在某种基底的表面。然而，印刷型LM电极难以进行转移和回收，而且在拉伸时容易发生断裂，从而降低电极的导电性。因此，迫切需要开发一种具有良好的拉伸性、自支撑、导体暴露的LM电极，以解决传统LM电极的这些问题。
郑州大学毛彦超教授课题组报告了一种LM电极，称之为Kirigami液态金属纸电极（KLP），可用于自支撑、导体暴露、可拉伸、超薄且可回收的多功能电子皮肤。KLP采用剪纸方法制作而成，具有单轴、双轴和方形螺旋三种结构，可以作为电子皮肤获取高质量的电生理信号，KLP还可以作为自供电电子皮肤进行工作。基于该电子皮肤，作者进一步开发了一个智能拨号通讯系统，展示了在人体皮肤表面拨打电话的功能。这种KLP为电子皮肤在医疗保健监测和智能控制方面提供了较好的潜力。该研究以题为“A Self-Supporting, Conductor-Exposing, Stretchable, Ultrathin, and Recyclable Kirigami-Structured Liquid Metal Paper for Multifunctional E-Skin”发表在最新一期的《ACS Nano》上。
【KLP的制造和结构】
将CNF粉末溶解在去离子水中，滴入典型的EGaIn LM，超声处理以形成悬浮液。然后将聚乙烯醇(PVA)水溶液与悬浮液混合并均匀搅拌，浇铸在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模具中。室温下干燥剥离后得到厚度约为17 μm的柔性超薄LM纸电极。在LM纸电极上构建电路，连接的LED阵列可以点亮，揭示了其在柔性电路中的潜在应用。LM纸电极本身不可拉伸，采用了一种称为Kirigami的剪纸技术设计了三种类型的剪纸结构来制造KLP，包括单轴、双轴和方形螺旋结构。
图1：Kirigami液态金属纸电极KLP的制作和结构
【KLP的力学模型和特性】
为了研究KLP的机械变形过程，采用梁理论对三种不同的剪纸图案进行了理论分析。单轴图案仅由平行线阵列排列组成，为研究剪纸结构的变形提供了一个具有代表性和方便的模型。对具有单轴图案的KLP进行了拉伸试验，应力-应变曲线上可以清楚地观察到三个变形阶段。采用有限元法（FEM）进一步理论模拟了拉伸下单轴图案的应力分布。可以看出，在不同应变率下，应力在KLP中均匀分布，没有明显的集中。
【KLP在不同形变下的电学稳定性】
以单轴剪纸结构为例，对KLP进行了各种形变测试。当单轴图案KLP上的拉伸应变从0%增加到85%时，连接的白光发光二极管(LED)可以保持点亮，并且其亮度没有明显下降。当拉伸应变从0增加到105%，并重复100次后，KLP的电阻变几乎不变。在-360°到360°的扭转下以及在该范围内重复扭转100次后，KLP的电阻也几乎没有变化。在0°到90°反复弯曲100次后，KLP的电阻仍然保持稳定。这些结果表明，KLP中的导电通路在各种形变下都具有优异的电学稳定性。通过与其他17篇文献进行比较，直观地展示了KLP兼顾了自支撑、导体暴露、超薄、可拉伸和可回收的优点。
【基于KLP的电子皮肤用于电生理信号监测】
与心电图(ECG)和肌电图(EMG)等其他电生理信号相比，精确的脑电图(EEG)记录由于其信号微弱和来自头皮的干扰一直是一个较大的挑战。KLP可用于记录受试者处于不同状态时的脑电图信号。通过具有双轴模式的KLP，对处于三种状态（包括思考、闭眼和睡眠）的受试者大脑活动进行实时脑电图记录监测。结果显示出在三种状态下脑电信号表现出频率和强度的显着差异。
【基于KLP电子皮肤的智能拨号通信系统】
基于KLP作为电子皮肤，进一步开发了智能拨号通信系统。该系统由KLP、电压比较器、微程序控制单元、全球移动通信系统和手机组成。通过在双轴结构电极表面上擦写出九个方形导电区域来构建相应的拨号按键。将双轴结构KLP放在手臂上，依次触摸数字1、5、7和9，按下每个数字都会产生相应的电压信号。这一结果展示了KLP在用于智能控制的电子皮肤中的潜在应用。
【小结】
综上所述，该研究开发了一种Kirigami液态金属纸电极KLP，它同时具有自支撑、导体暴露、可拉伸、超薄和可回收的优点，可作为多功能电子皮肤的电极。通过剪纸方法制造了具有三种不同结构的KLP，在拉伸、扭曲和弯曲等不同变形类型下表现出稳定的导电性。KLP可以作为电子皮肤记录人体的高质量电生理信号，也能够作为智能控制的电子皮肤。此类KLP电极将为电子皮肤有潜力应用于健康监测和智能控制方面，以及在智能机器人、虚拟现实、皮肤集成电子等领域有着广泛的应用前景。
