下一代纹身般的电子产品，具有广阔的制造前景和更广泛的应用场景

摘要：第一作者：Ye Zhou，Obaid Ali Qamar通讯作者：Yanlong Tai，Gilles Lubineau通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院，阿卜杜拉国王科技大学DOI: 10.1016/j.cej.2024.157336

第一作者：Ye Zhou，Obaid Ali Qamar

通讯作者：Yanlong Tai，Gilles Lubineau

通讯单位：中国科学院深圳先进技术研究院，阿卜杜拉国王科技大学

DOI: 10.1016/j.cej.2024.157336

近年来，纹身般的电子产品吸引了许多研究科学家，他们提出了电子产品与人体无法检测到的整合的可能性。电子纹身，通常被称为电子纹身或表皮电子，依靠印刷电子的原理来产生柔软灵活的电路，这些电路可以像临时纹身一样贴在皮肤上。由于其更复杂的方法，电子纹身被认为会彻底改变医疗保健系统，并提供了一种更好的方式，可以轻松方便地进行持续的健康监测、药物输送，甚至神经接口。纹身类电子设备通过心率、肌肉收缩和脑电波活动等各种生物信号提供长期生理监测[7]。这是使用与皮肤直接接触的导电材料完成的，因此不需要笨重的设备进行长时间观察。与传统传感器相比，纹身类电子产品可以从几个优势中受益。贴片的薄而灵活的结构可以长时间佩戴而不会产生刺激，这使得长期监测比大型设备更有可能。这些设备是共形的，与其他粘性传感器相比，它们提供了更好的信号质量、更少的运动伪影和更好的精度。此外，整合无线通信技术，使实时监控成为可能，医疗服务提供者或移动设备上的帮助热线可用于及时干预。此外，电子广告侵蚀了技术和时尚之间的界限，为自我表达提供了机会。此外，他们还将可穿戴计算的新愿景带入时尚界。随着印刷电子产品和电子广告的研究和新发展，在医疗保健、消费电子产品甚至更多行业中，似乎有更具变革性的应用的巨大可能性。

代表印刷和电子元件之间战略理解的印刷电子产品导致了物联网（IoT）时代功能设备的出现。这项技术是一项颠覆性的创新，超越了传统的制造工艺，能够将导电材料直接沉积到各种基材上，包括纸张、塑料甚至织物。多年来，材料科学、印刷技术和制造工艺的进步已经扩散到一个不仅用途广泛，而且成本效益高的领域，包括一系列应用，包括柔性显示器和传感器、智能包装和可穿戴设备。

主要的传统电子纺织品制造工艺通常采用光刻和“剪切粘贴”等微细加工方法。然而，这些制造方法有几个固有的局限性。例如，光刻是最复杂的工艺之一，它包括涂覆光致抗蚀剂、曝光和显影，以及在刚性基板上创建复杂图案的蚀刻工艺。此外，使用像硅片这样的刚性基板限制了设备的一致性，从而降低了它们适应人体不同形状的能力。光刻技术的高成本和复杂性使得扩大批量采购的电子纹身的生产变得不经济。另一方面，“剪切粘贴”方法无法复制精确的图案，并生成不太精确的电子纹身。这些局限性反过来又加强了研究替代技术的必要性，这些技术可能会产生具有高灵活性、兼容性、易于制造等特点的电子纺织品。增材制造方法，包括新型印刷方法，已被视为一种新的电子纺织品制造技术，具有许多优于传统微细加工技术的特点。一个值得注意的策略是使用3D打印，因为它提供了在柔性基板上以逐层打印模式直接沉积功能材料的可能性。电子纹身设计和制造的多功能性有助于精确适应人体的曲率，从而优化设备的舒适性和功能性。增材制造方法，如丝网印刷和喷墨印刷，提供了将不同类型的材料和组件整合到单个电子设备中的灵活性，因此很容易将传感器、致动器和其他电气功能整合到电子吸盘中。此外，增材制造方法具有可扩展性和成本效益，可大规模生产用于不同应用的电子纹身。与需要专门的洁净室和高价机械的传统微细加工工艺相比，增材制造利用相对便宜的设备和3D打印机或喷墨打印机。增材制造与柔性和可拉伸基材的兼容性增强了电子纹身的生物相容性和可穿戴性，使其适用于医疗监测、人机界面（HMI）和个性化电子产品的长期应用。

电子纹身的最新趋势是通过提出自供电和无基板的创新设计来彻底改变可穿戴技术。先进的方面是制造自供电的电子纹身，可以从身体的自然过程或环境来源收集能量。自供电的电子吸盘采用了最新的能量收集机制，包括压电材料、摩擦发电机和生物燃料电池（BFC），可以将身体运动、身体热量和生化反应转化为电能。自供电纹身不需要外部电池和电线连接，因此允许全天候不间断的运动和长时间的操作。此外，自供电电子纹身可用于医疗领域，在不更换电池或充电的情况下实现生命体征的长期连续监测。随着能量收集和材料科学研究变得更加先进，将自供电能力添加到电子纹身中被认为将在可穿戴电子产品的未来发挥关键作用，为用户提供这种便利和自行操作的能力。同时，无结构电子纹身体现了制造技术的转变，因为它可以在不使用硅或聚合物薄膜等传统基材的情况下实现。这些纹身在材料科学领域取得了进步，并采用了新的制造技术，将电子元件和电路直接打印或沉积在皮肤上。在展示这种能力时，无基材的电子纹身不同于刚性基材的局限性，提供了无与伦比的舒适性和适应性，从而适应了身体的形状，接近了可穿戴性和功能性的水平。

文献中有相当多的综述文章，重点关注电子广告及其发展。例如，Yang等人回顾了传统方法，特别是通过使用各种功能材料（如金属片、聚合物和二维材料）制造电子纹身的“剪切粘贴”方法。Wang等人回顾了医疗保健传感设备，并讨论了它们的特性和结构。赵等人从结构设计的角度报告了电子标签的最新趋势，并讨论了用于人体健康监测的设备。然而，在这些评论中，没有强调通过使用增材制造（如新型印刷方法）来制造电子标签。最近，Li等人全面回顾了电子纺织品的最新进展，重点关注电子纺织品的不同性能和不同应用，但仅简要讨论了新型增材制造制造方法。如图1所示，据信下一代纹身状电子产品将趋向于自供电和无基板。在这篇综述中，我们首先强调了纹身类电子产品的这两个要求。然后，我们详细讨论了从传统到新兴和尖端印刷技术的纹身状电子产品的制造方法，并给出了它们最近和相关的例子。还详细解释了直接印刷及其制作无基材电子纹身的要求。此外，还简要介绍了植物健康监测和食品安全的更广泛应用场景。简要介绍了纹身式电子设备在海洋生物监测中的潜力。最后，在最后一节中介绍了纹身类电子产品当前面临的挑战及其可能的解决方案。

本文亮点

1. 本文对称地回顾和总结了自供电和无基板的新兴纹身类电子产品。

2. 详细讨论了从传统制造到增材制造的制造方法，特别解释了直接印刷技术及其要求。

3. 还简要解释了纹身式电子设备在海洋生物监测方面的潜力。

4. 还探索和展望了纹身类电子产品在生物机器交互中的更广泛应用场景。

图文解析

图1. 下一代纹身般的电子产品，具有广阔的制造前景和更广泛的应用场景。

图2. 自供电纹身式电子设备；a） PENG的工作机制，b）用镊子弯曲的柔性PZT PENG（顶部），带有XRD光谱（底部）和横截面SEM图像（底部插图）。c）超薄PVDF TrFE PENG（上图）的设备配置，带有IDE的光学显微镜图像。d） TENG的工作机制（上）和SNF/CNT/SNF纹身的示意图，如TENG（下），e）SNF/CNT/SENF e-attoo作为3×3阵列图案的触觉传感器（上），带有甲醇处理SNF层的SEM图像（左中）和SNF/CNT层的横截面SEM图像（右中），以及人体正手上3×3 e-attoo传感器的光学图像，带有传感器元件的数字指示。f）基于包裹在PI和PDMS薄膜中的铜线的纹身状TENG的示意图（顶部）和纹身状TENG在拉伸、扭曲和弯曲下的光学图像，分别具有有限元分析（底部）。g）工作机制（顶部）具有BFC等第一个纹身的阳极（中间）和阴极（底部）构造。h），金桥岛建筑BFC分解图（上图）和人体装饰BFC放大图（下图）。i） BFC的示意图，用于通过蓝牙进行多重生物传感和信号传输到移动设备。

图3. 无基材纹身类电子产品；a）银渗透贴片电极的示意图。b）复杂图案的CTP以及通过CTP和DTP（顶部）和颈部高斯曲率图（左下）以及颈部层压电极（右下）转印图案的光学图像。c）水辅助转移的示意图和实时演示。d）纳米网状导体的示意图演示。e）基于Gr的传感器连接到OpenBCI板的示意图。f）印刷PEDOT:PSS电极（顶部）的演示，臂（底部）上有转移电极的光学图像。g）无金属PEDOT：基于PSS的电极，具有扩展视图（顶部）并转移到皮肤（底部）。h）展示PEDOT:PSS干电极转移到皮肤过程的图像。

图4. 纹身类电子产品的传统制造技术；a）光刻示意图。b）通过双面紫外线曝光进行纺织品导电图案化。c） “剪切粘贴”方法示意图。d）使用“剪切粘贴”方法制造超薄无胶带电子纹身。e）基于激光切割Ti3-Mxene图案的桡动脉脉冲纹身传感器的制造。f）静电纺丝具有α、β和γ晶相的PNF，静电纺丝具有增强的β相和氢键形成的MPNF（顶部a和b），以及使用D-MPNF的LIC形成LIHCNF（底部c）。g）压花方法涉及的步骤，以及h）使用压花方法在正常和压缩模式（顶部）、拉伸和扭曲模式（底部）下在人体皮肤上绘制的电子纹身图像。

图5. 新兴和尖端的印刷技术，用于制造纹身般的电子产品；a）制作电子纹身的冲压示意图。b）通过绘画在10秒内快速一步涂覆在人的手臂和手指上。c）通过直接书写在小鼠颈部7天的电子纹身图像（上图）和在人体皮肤上擦除电子纹身的过程（下图）。d）丝网印刷示意图。e）通过丝网印刷制作基于Gr/SF/Ca2的电子纹身。f） SLMC和LM-PSA复合材料结构示意图。g）喷墨打印示意图演示。h）喷墨打印PEDOT:PSS电极位于纺织品和纹身纸上，用于EMG测量。i）喷墨打印传感器附着在桡动脉顶部，无皱纹和有皱纹。j）自适应3D打印平台的示意图和k）自由移动的手上的自适应3D打印感应线圈。

图6. 纹身类植物护理电子产品；a）基于CNT和石墨的分层弹性乳胶的水果上放置的生长传感器的图像（顶部）及其操作框图（底部）。b）概述演示和c）LAME生长传感器制造的补充细节。d）一种光学植物生理传感器。e）基于GO IDE的电容式湿度传感器。f） LM-PET用于植物生理学。g）用于识别果树臭氧损伤的化学传感器。h）用于植物应力监测的乙烯传感器。