研究背景
柔性电极在可穿戴技术中展现出重要作用，主要应用于运动检测、能量存储、人机交互和医疗监控等领域。其主要特点包括佩戴舒适、导电性高、轻重量、易操作、高透气。
其中透气性是考虑可穿戴设备舒适性的关键因素，可降低长期佩戴引起的不适。为了追求透气性，以前大部分设计策略采用了溅射、过滤沉积等方法将高导电材料附着于柔性多孔基底上，不仅制备成本较高而且会将导电层暴露于外界，难免会由于长期佩戴导致导电材料的损失，进而降低导电性。因此，寻求经济可行的方法制备高透气性、机械耐久的柔性电极成为当前的主要挑战。
文章概述
近日，中国地质大学（武汉）与南京农业大学的研究团队合作，以小龙虾外骨骼为灵感，共同开发了一种基于闪蒸石墨烯（Flash Graphene，FG）的具有仿生装甲设计的柔性电极材料（FG/PPMF）。该电极材料由FG和无纺布PPMF复合而成。FG是通过炭黑经过闪蒸焦耳热法 (Flash Joule Heating) 制得的，其独特的涡轮 (Turbostratic) 结构使其不易发生A-B堆积，因此可以组装成具有丰富纳米孔道的聚集体，具有良好的导电性和透气性。无纺布（PPMF）作为柔性装甲对FG组装体起到保护作用，使得该复合电极不仅具有可经受1000次重复弯曲及10000次反复接触摩擦的特性，同时可以抵抗胶带黏附，并且在水环境中的长期剪切作用力下几乎无电阻变化。由于PPMF和FG多孔组装体的良好透气性，进而使得FG/PPMF电极也具有优异的透气率（约为10.08 mg cm⁻² h⁻¹），长期佩戴实验也展示出比商用Ag/AgCl凝胶电极更好的舒适性，无不良反应发生。FG/PPMF电极在人体生理信号监测（ECG和EMG）、人体运动检测及人机交互领域展示了良好的性能，为柔性电子传感的研究做出了重要贡献。
该成果以“Bioinspired Robust Gas-Permeable On-Skin Electronics: Armor-Designed Nanoporous Flash Graphene Assembly Enhancing Mechanical Resilience”为题发表在《Advanced Science》上。
中国地质大学（武汉）邓恒教授为主要通讯作者，中国地质大学（武汉）周琪涛教授及南京农业大学张诚副教授为共同通讯作者，中国地质大学（武汉）硕士研究生陈洋为第一作者，南京农业大学本科生刘子轩为共同第一作者。该研究得到国家自然科学基金，广东省基础与应用基础研究基金联合基金以及江苏省农业科技创新基金的支持。
原文链接: https://doi.org/10.1002/advs.202402759
图文导读
图1 基于小龙虾生物启发的FG/PPMF电极由FG油墨与PPMF复合而成，PPMF纤维可类比为小龙虾的外骨骼，以“装甲”形式保护纤维内部导电透气的FG功能组装体（图a）。在长期佩戴过程中，FG/PPMF不仅能够抵御外界磨损导致功能材料的损坏，而且具备良好的透气性和导电性（图b）。FG/PPMF在人体监测和人机交互领域展现出巨大潜力（图c）。
图2 FG油墨的特性可影响FG/PPMF的制备。FG油墨需要长时间的球磨以改善油墨的流动性及导电性（图b，c）。具有优良流动性的FG油墨可深入PPMF内部形成连续导电网络并被外层PPMF纤维保护（图d）。丝网印刷技术可使FG/PPMF图案定制化，且制得的FG/PPMF具有良好柔性，可随意弯折（图e）。FG/PPMF作为蛇形电路可在不同形变状态下保持通路并点亮LED灯泡（图f）。
图3 FG/PPMF的透气机理主要基于FG的涡轮结构导致的非A-B堆积，形成的组装体展现出大量的纳米透气孔道（图a，b，c）。透气实验表明FG/PPMF具有优良透气性（约为10.08 mg cm⁻² h⁻¹），并在长期佩戴实验中未观察到不良影响（图e，g）。
图4 FG/PPMF具有优良的机械耐久性和防水性，在各种环境下都保持着稳定的导电性。
图 5 FG/PPMF可用于监测ECG、EMG，并且根据EMG的信号变化可实现人机交互，例如控制机械手和无人机的飞行状态。
图6 FG/PPMF作为TENG时表现良好的能量收集性能。双电极模式下，施加4 N、5 Hz的力可达到464 V、36.5 μA和32.3 nC的发电效果，其发电能力可成功点亮150个LED灯泡。基于TENG原理，FG/PPMF可作为传感器用于监测人体运动，并展示了摩斯电码信息传递和步态监测的应用。
总结
该研究通过结合“装甲”设计策略和FG的涡轮结构，成功制备了一种低方阻、机械耐久和高透气性的FG/PPMF柔性电极。由于其高透气性和柔性，该电极可长期佩戴且无不良反应。作为传感器电极，它有望推动健康监测、行为监测和人机交互等重要应用领域的发展。
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