Сопротивляющиеся истиранию носимые покрытия на основе двуслойных твердо‑/жидкофазных растягиваемых проводников

Электронные повязки, которые выдерживают реальную жизнь

Представьте себе электронную повязку толщиной с татуировку, которая отслеживает ваш пульс, активность мышц или тактильные сигналы и при этом не боится трения от одежды, душа, тренировок и даже агрессивных средств очистки. Современная «электронная кожа» гибка и чувствительна, но при жестких условиях она часто трескается, отстаёт или теряет сигнал. В этом исследовании предложена новая разновидность носимой кожи, которая сохраняет электрическую надежность даже при растяжении в несколько раз и после тысяч циклов истирания, приближая нас к долговременным сенсорам, которые действительно можно «забыть» на теле.

Почему сегодняшние мягкие носимые устройства изнашиваются

Большинство существующих электронных кож опираются либо на твердые металлические проводники, либо на жидкометаллические проводящие слои, внедренные в эластичные материалы. Твердые металлы можно формировать в сложные датчики давления, деформации и температуры, но при многократном сгибе, растяжении или трении они в конечном счете трескаются или отделяются от мягкой основы. Жидкие металлы не трескаются, поскольку текучи, однако их подвижность делает их склонными к протеканию и соскребанию. Простые защитные покрытия замедляют разрушение, но часто ухудшают контакт с кожей и всё же терпят неудачу при интенсивном истирании, например при постоянном трении кожи о одежду.

Двухслойный проводник, который ведёт себя как настоящая кожа

Исследователи решают этот компромисс с помощью продуманной двуслойной конструкции — двух различных проводящих слоев, прочно спаянных в единый ультратонкий фильм. Верхний слой — эластичный пластик (SEBS) с добавкой мелких серебряных частиц, формирующий прочный, устойчивый к истиранию щит. Под ним располагается второй слой SEBS, насыщенный микрокаплями жидкометаллического сплава. Термическая обработка сливает эти слои в одну бесшовную структуру толщиной всего около 13 микрометров — в разы тоньше человеческого волоса — что позволяет пленке повторять рельеф отпечатков пальцев и двигаться как вторая кожа. В такой архитектуре слой с серебром принимает на себя основное механическое изнашивание, а слой с жидким металлом обеспечивает сохранение электрических путей даже при растяжении пленки более чем в девять раз по сравнению с исходной длиной.

Как пленка сохраняет проводимость под нагрузкой

При растяжении двуслойной пленки серебряные частицы в верхнем слое склонны разъединяться и образовывать изолированные «островки». Вместо утраты проводимости подлежащие микрокапли жидкометалла деформируются и соединяют эти островки снизу, создавая вертикальные мостики для переноса электронов. В стандартизированных испытаниях на истирание сопротивление пленки оставалось практически неизменным более 1500 секунд — значительно дольше, чем у сопоставимых однослойных проводников, выходивших из строя за секунды или минуты. Снимки при высоком увеличении показали, что при длительном трении серебряные частицы и жидкий металл начинают слипаться, формируя новую непрерывную проводящую сеть, которая продолжает работать даже при сильном сочетанном растяжении и истирании. Важно, что жидкий металл не вытекает наружу, а пленка выдерживает действие сильных кислот и щелочей, многократную стирку и значительные циклические деформации, не теряя электрических свойств.

Комфорт и безопасность при ношении на теле

Чтобы превратить двуслойную пленку в дружественные коже электроды, команда добавила небольшое количество акрилового эфира для повышения адгезии к верхнему слою кожи. Это обеспечивает прочное, но обратимое соединение за счёт молекулярных взаимодействий, позволяя пленке надежно держаться при движении, но легко сниматься с помощью протирки спиртом. Получившиеся «тату‑подобные» электроды имеют гораздо меньшее контактное сопротивление по отношению к коже, чем коммерческие гелевые пластины, то есть способны регистрировать слабые электрические сигналы чище. Испытания на культивированных клетках кожи и добровольцах показали хорошую биосовместимость, а богатая серебром поверхность препятствует росту бактерий. Даже после часов стирки или тысяч имитированных циклов истирания электроды сохраняют свои электрические характеристики и адгезию.

Тесты в реальных условиях: сердце, мышцы, шрифт Брайля и мимика

Авторы подвергли свою электронную кожу реалистичным сценариям использования. В роли межсоединений двуслойные проводники питали светодиодные цепи, которые продолжали стабильно светиться после многократного трения и экстремального растяжения. В качестве датчиков сердца и мышц, размещённых на груди и предплечье, они регистрировали электрокардиограмму и электромиограмму с высокой чёткостью до и после 500 циклов истирания, превосходя как стандартные гелевые электроды, так и более простые растягиваемые плёнки. Команда также собрала мультимодальную систему, объединяющую сигналы деформации и мышцы для чтения шаблонов Брайля при滑ании кончика пальца по выпуклым точкам, достигнув идеального распознавания тестовых фраз. В другом демонстрационном эксперименте матрицы на лице отслеживали мышечную активность, связанную с улыбкой, смехом, удивлением и гневом; модель машинного обучения декодировала эти выражения с точностью 98,75% даже после интенсивного умывания лица.

Что это значит для будущей носимой техники

Эта работа показывает, что тщательная инженерия контакта разных проводящих материалов внутри мягкой плёнки позволяет создать электронную кожу, которая не только тонка и растяжима, но и достаточно прочна, чтобы соперничать с человеческой кожей в реальных условиях истирания. Серебром армированная двуслойная структура с поддержкой из жидкометалла противостоит растрескиванию, протеканию и химическому воздействию, сохраняя при этом тесный контакт с телом и чистоту электрических сигналов. Такие прочные, моющиеся и долговечные тату‑подобные сенсоры могут сделать непрерывный мониторинг здоровья, вспомогательные технологии для людей с ограничениями и выразительные человеко‑машинные интерфейсы гораздо более практичными в повседневной жизни.

Цитирование: Wang, Z., Shi, P., Li, Y. et al. Abrasion-resistant wearable skins based on bilayered solid/liquid stretchable conductors. Nat Commun 17, 3767 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70438-8

Ключевые слова: носимая электроника, электронная кожа, жидкометаллические проводники, биомедицинские датчики, устойчивость к истиранию