打破可穿戴電子設(shè)備的“不適感”？一種新材料開啟智能穿戴新紀(jì)元！

□ 李傳福

在科技日新月異的今天，可穿戴電子設(shè)備逐漸成為大多數(shù)人生活中不可或缺的一部分。從智能手表監(jiān)測(cè)健康數(shù)據(jù)，到智能衣物提供舒適體驗(yàn)，這些創(chuàng)新產(chǎn)品正在改變著我們與科技互動(dòng)的方式。然而長(zhǎng)期以來(lái)，一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題限制了可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展，那就是傳統(tǒng)電極材料的僵硬性。

柔軟彈性電極材料的出現(xiàn)為這一困境帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。日前，美國(guó)加州大學(xué)圣迭戈分?？茖W(xué)家在《科學(xué)·機(jī)器人》期刊發(fā)表一項(xiàng)最新科研成果，一種由既導(dǎo)電又可拉伸的聚合物電極材料開發(fā)的可穿戴電子設(shè)備，不會(huì)增加佩戴者的不適感。

傳統(tǒng)的電極材料，如金屬和剛性無(wú)機(jī)化合物，雖然在導(dǎo)電性方面表現(xiàn)出色，但它們的機(jī)械性能無(wú)法滿足可穿戴設(shè)備的需求。人體皮膚柔軟且具有彈性，而僵硬的電極材料無(wú)法與皮膚緊密貼合，從而導(dǎo)致信號(hào)采集不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定。這對(duì)于依賴精確生物信號(hào)監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備，如心率監(jiān)測(cè)器和血糖儀，是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

為了解決傳統(tǒng)電極材料的局限性，科學(xué)家們致力于研發(fā)各種柔軟彈性電極材料。目前，主要的柔軟彈性電極材料包括導(dǎo)電聚合物和碳納米材料，如石墨烯和碳納米管。

導(dǎo)電聚合物具有良好的柔韌性和可加工性，其電導(dǎo)率可以通過(guò)化學(xué)摻雜或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)控。例如，聚苯胺、聚噻吩等導(dǎo)電聚合物，在拉伸和彎曲狀態(tài)下仍能保持較好的導(dǎo)電性，并可通過(guò)溶液加工的方法制備成薄膜或纖維，適用于大面積可穿戴電子設(shè)備。

作為碳納米材料的代表，石墨烯和碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性。石墨烯是一種由單層碳原子組成的二維材料，具有極高的載流子遷移率和出色的柔韌性；碳納米管則是一維的納米材料，長(zhǎng)徑比大，能在彎曲和拉伸時(shí)保持良好的導(dǎo)電性能?？蒲腥藛T將這些碳納米材料與聚合物復(fù)合，可制備出高性能的柔軟彈性電極。

制備柔軟彈性電極材料的方法多種多樣?；瘜W(xué)合成法是制備導(dǎo)電聚合物的常用方法，通過(guò)控制反應(yīng)條件和反應(yīng)物的比例，可以精確地合成具有特定結(jié)構(gòu)和性能的柔軟彈性電極材料。例如，在合成導(dǎo)電聚合物時(shí)，可通過(guò)調(diào)整摻雜劑的種類和濃度來(lái)優(yōu)化其導(dǎo)電性和柔韌性。溶液加工法是一種簡(jiǎn)單、低成本，且易于大規(guī)模生產(chǎn)的方法。例如，科研人員將導(dǎo)電聚合物溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?，通過(guò)旋涂、噴墨打印或絲網(wǎng)印刷等方式，可將其制備成薄膜或圖案。同樣，碳納米管和石墨烯也可以通過(guò)溶液加工法制備成柔軟彈性電極。

柔軟彈性電極材料的出現(xiàn)為可穿戴電子設(shè)備帶來(lái)了廣泛的應(yīng)用前景。在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，柔軟彈性電極可集成到智能手環(huán)、智能貼片和智能衣物中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率、血壓、血糖、體溫等生理參數(shù)。這些電極能緊密貼合皮膚，準(zhǔn)確采集生物信號(hào)，為醫(yī)療診斷和健康管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在運(yùn)動(dòng)追蹤方面，可穿戴設(shè)備中的柔軟彈性電極，可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作、姿勢(shì)和肌肉活動(dòng)，幫助他們優(yōu)化訓(xùn)練方案，提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，同時(shí)降低受傷的風(fēng)險(xiǎn)。在人機(jī)交互領(lǐng)域，柔軟彈性電極材料可應(yīng)用于智能手套、智能表帶等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更加自然和直觀的操作方式。例如，通過(guò)檢測(cè)手指的彎曲和觸摸動(dòng)作，柔軟彈性電極材料可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子設(shè)備的控制。此外，它們還可用于能量收集和存儲(chǔ)設(shè)備，如柔性太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容器，為可穿戴設(shè)備提供持續(xù)的能源供應(yīng)。

未來(lái)，柔軟彈性電極材料將不斷創(chuàng)新和完善，使可穿戴電子設(shè)備變得更加輕薄、舒適、智能和多功能。它們不僅僅是我們生活中的輔助工具，更有可能成為我們身體的一部分，為人們的健康、工作和娛樂(lè)帶來(lái)前所未有的便利和體驗(yàn)。

（作者系華中科技大學(xué)綠色能源工業(yè)研究中心工程師、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)員）