基于双层固/液可拉伸导体的耐磨可穿戴皮肤

能在现实生活中幸存的电子绷带

想象一种如纹身般薄的电子绷带，能跟踪你的心跳、肌肉活动或触觉，同时能抵御衣物摩擦、淋浴、锻炼甚至强力清洁剂的擦洗。目前的“电子皮肤”虽然柔软且灵敏，但在遭遇粗糙使用时常会开裂、剥落或信号丢失。这项研究提出了一种新型可穿戴皮肤，即使在拉伸数倍并经受数千次擦拭后仍保持电学可靠性，使我们更接近长期佩戴、真正让人忘记存在的体表传感器。

为什么当今的软性可穿戴会磨损失效

大多数现有电子皮肤要么依赖固态金属走线，要么在橡胶状材料中嵌入液态导体。固体金属可以被图案化为复杂传感器以感知压力、应变和温度，但在反复弯曲、拉伸或摩擦下最终会开裂或与柔性基底分离。液态金属避免了开裂，因为它们能流动，但这种流体性也使其容易泄漏或被刮走。简单的保护涂层能减缓损伤，但常常阻碍与皮肤的良好接触，并且在强烈磨损（如皮肤与衣物之间的持续摩擦）下仍会失效。

像真皮一样工作的双层导体

研究人员通过巧妙设计的双层结构解决了这一权衡——两种不同的导电层紧密结合成一体的超薄薄膜。顶层是填充微小银粒子的弹性塑料（SEBS），形成一层坚韧的耐磨屏障。其下是第二层同样为SEBS但充满微小液态金属液滴的层。热处理使这两层融合成约13微米厚的无缝结构——远比人发细得多——让薄膜能贴合指纹并像第二层皮肤般运动。在这种结构中，富银层承担主要机械磨损，而液态金属层则确保即使薄膜被拉伸到原长的9倍以上，电路径仍然保持完整。

薄膜在应力下如何保持导电

当双层被拉伸时，顶层的银颗粒倾向于分离成孤立岛屿。底层的液态金属液滴不会让导电性丢失，而是从下方变形并连接这些岛屿，形成电子跨越的垂直桥。在标准化磨损测试中，该薄膜在1500秒以上保持近乎恒定的电阻——远超可比的单层导体（后者在数秒到数分钟内失效）。高倍显微图像显示，在长期摩擦下，银颗粒与液态金属开始融合，形成一种新的连续导电网络，即使在严重的拉伸与磨损联合作用下仍能工作。关键是没有液态金属渗出，薄膜能抵抗强酸强碱、反复清洗以及大幅循环应变而不丧失电学性能。

佩戴舒适且安全

为了将双层薄膜转化为对皮肤友好的电极，团队加入少量丙烯酸酯以增强与表皮的黏附性。这通过分子层面的相互作用形成强但可逆的结合，使薄膜在运动中能牢固贴合，但可用酒精擦拭轻松移除。由此得到的“纹身式”电极与皮肤的接触阻抗远低于商业凝胶电极，意味着它们能更干净地检测微弱电信号。对培养皮肤细胞和人体志愿者的测试显示良好的生物相容性，而富银表面还有助于抑制细菌生长。即使在多小时洗涤或数千次模拟磨损循环后，电极仍保持其电学特性和黏附力。

现实世界测试：心脏、肌肉、盲文与面部

作者将他们的电子皮肤置于现实场景中测试。作为互连线，双层走线为LED电路供电，在反复摩擦和极限拉伸后仍能稳定发光。作为放置在胸部和前臂的心脏与肌肉传感器，它们在500次磨损循环前后都能清晰记录心电图和肌电图信号，性能优于标准凝胶电极和更简单的可拉伸薄膜。团队还构建了一个多模态系统，结合应变和肌电信号来读取滑过凸点的指尖上的盲文模式，在测试短语识别上实现了完美识别。在另一个演示中，面部阵列监测与微笑、笑声、惊讶和愤怒相关的肌肉活动；机器学习模型即使在剧烈洗脸后也以98.75%的准确率解码这些表情。

这对未来可穿戴技术意味着什么

这项工作表明，通过精心设计不同导电材料在柔性薄膜内部的结合方式，可以制造出不仅薄且可拉伸，而且在现实世界磨损下足以媲美人类皮肤的电子皮肤。银增强且以液态金属为后盾的双层结构抗裂、抗泄漏并能抵抗化学侵蚀，同时保持与身体的紧密接触和干净的电信号。如此坚固、可清洗且耐用的纹身式传感器，可能使持续健康监测、残障人士辅助技术以及富有表现力的人机接口在日常生活中更为实用。

引用: 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

关键词: 可穿戴电子设备, 电子皮肤, 液态金属导体, 生物医学传感器, 耐磨性