液态金属的皮表柔性电子特性探究

由镓、铟、锡等金属构成的合金，由于具有低熔点、高导电率、制作工艺简单等良好特性，可以很方便地制造出导线、电极、电容、电导、天线、应力传感器、压力传感器等柔性电子器件。另一方面，直接接触式打印、喷雾打印、丝网打印、3D打印等技术也已经被提出，用于液态金属柔性电路的制作过程当中。

笔者实验室Yu等［8］，将常温液态金属印刷技术引入到生物医学电子学领域，并结合无线通信技术，从而将“生物体表电路直接绘制与生理参数自动获取”这一概念变成现实。Chemistry World等科学杂志以“在皮肤上打印电路”为题对此进行了报道或转载［9］。

此项工作建立了在生物体表直接绘制传感器、导线、功能电路乃至实现医学应用的工程学途径［8］，可由此引申出“从头到脚、覆盖全身”的全新生物医学电子学模式。研究中澄清了液态金属电极的基本特性，将各种适形化电极直接绘制在形貌各异的人体及动物皮肤上，并借助手机蓝牙技术，实现了心电信号的无线采集、记录与显示。论文还阐述了体表液态金属电子电路技术在心电/脑电地形图、生物电阻抗成像乃至心脏除颤、电刺激以及无线感知等方面的应用，剖析了新方法在生物医学检测与治疗方面的巨大潜力。由液态金属印制而成的皮肤电路具有独特的柔韧性和延展性，较为适应高低起伏的生物体表；同时，其高品质的生物相容性以及无创、低成本、印刷与擦除方便等特点也便于今后实际应用。此前，尽管科学界已提出著名的电子文身技术，但相应电路需提前制作在特定基底上后再贴附于皮表，这会带来一定的接触电阻；而传统的生物电极也往往需要借助导电胶来增强外界电路与人体皮表间的电学传导，使用方式仍非直接。在体电路则克服了上述不足，为人体生理信号的精准测定及电学控制提供了崭新手段。

下面给出一个液态金属打印技术在生物医学方面的应用［8］。以新西兰兔为实验对象，分别采用常规的Ag/AgCl电极和液态金属电极测量心电信号，实验结果如图9.7所示。可以看出，液态金属电极除了测量信号的幅度略低于常规电极外，在心电信号的波形、节律上都没有明显差异。这个结果说明，利用液态金属作为电极采集生理电信号是可行的。而且，由于液态金属与体表可以实现适形化接触，不需要再涂抹导电膏，因此使用起来更加方便自由。

图9.7　基于液态金属的生物电极与皮肤电路［8］(www.xing528.com)

a.涂覆于试验小鼠表皮的电路；b、c.心电测量信号。

皮肤电子又俗称电子文身，是近期兴起的热门研究领域，主要用于通过皮肤无创检测生理信号，是柔性电子技术的集中体现。然而，迄今为止，几乎所有的皮肤电子器件均不能直接制作在皮肤上，这会造成大的接触电阻从而降低测试灵敏度。而且，传统的电子导联技术往往需要复杂的加工条件，如光刻、刻蚀、溅射等虽有较高精度，但设备相当复杂，且常常必须在高温、高辐射环境下操作，无法直接于皮肤上制作电子器件。已有的柔性电子通常的制造温度也在100℃以上，一些室温技术则要用到诸如紫外光或者化学技术，若直接在皮肤上制造会对人体造成大的伤害。笔者实验室研究发现，通过液态金属喷墨打印技术快速制作皮肤电子可以避免这些不利［10］。具体过程为：首先，通过预先设计制作掩膜，将想要打印的电气元件刻蚀在不锈钢板上，其中掩膜图案线宽的分辨率能达到100 μm。如图9.8所示，掩膜上刻蚀了从简单到复杂的几种典型可构成电气元件的集合图案，可以通过装有液态金属的喷枪，在短时间内批量打印出来。液态金属喷墨打印技术是一个直接在皮肤上打印电子图案很有前景的方法，它不仅可以实现理想的黏附性，并且还具备较好的可拉伸电子特性，未来可以广泛用于印制传感器、执行器、皮肤电路等。

图9.8　基于液态金属快速制造的皮肤电路［10］

液态金属体表电子电路技术可望给未来生活带来一些新的改变，这会使得传感器、控制器、效应器及供能器等能与人体系统融为一体，从而为生物医学电子学创造出前所未有的应用模式。