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可穿戴电子设备在各种健康监测应用中具有潜在的用途，包括非侵入性化学传感。但是，此类平台通常受到连接到外部设备以进行电源和数据可视化的需求的限制。
在这里，我们报告了一个可拉伸的表皮汗液传感平台，该平台集成了可拉伸电池和低功耗数字电致变色显示器。该贴片可以作为独立设备运行，直接显示汗液中各种电解质或代谢物的浓度，例如葡萄糖和乳酸盐，而无需与外部设备进行任何有线或无线连接。它由电化学传感器和可拉伸的Ag组成。2O–Zn电池、10个可单独寻址的电致变色像素和一个小型微控制器单元。除微控制器外，所有组件和互连都是通过定制弹性体或银墨水的高通量丝网印刷制造的。该集成系统对机械变形具有鲁棒性，在20%应变下不受1，次拉伸循环的影响。电致变色显示器具有10，次开/关循环的稳定性，电池可在一周的使用中为14，次应答式供电。
加州大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种薄而灵活且有弹性的汗液传感器，只需按压手指即可显示汗液的葡萄糖，乳酸，钠或pH值。它是第一款允许传感器独立运行的独立可穿戴设备，无需与外部设备进行任何有线或无线连接，即可直接可视化测量结果。
该贴片可以重复拉伸20%，而不会影响其性能。
这种小圆盘形贴片的独特设计包括可穿戴传感器所需的所有基本组件：两个集成电池，一个微控制器，传感器，电路和可拉伸显示器。这涵盖了操作可穿戴传感器所必需的所有功能，从上电到向用户显示结果。
“我们正试图解决可穿戴技术的实用性问题，”共同第一作者LuYin说，他是加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程博士后研究员。“我们已经看到了如此多的可穿戴传感器的发明，它们具有很高的新颖性，但实用性有限。”
工程努力的集合
除微控制器外，所有组件和互连均使用定制的弹性油墨制造，可以使用低成本和高吞吐量的丝网印刷到可拉伸的聚合物片上。
“这需要每个工程行业走到一起，”尹说。“你需要传感器、显示器、电池、电路设计、固件工程方面的专家，才能让这个小补丁中的每个模块都能正常工作。它们的集成还需要电化学，电子工程和材料科学方面的知识，以确保所有部件保持可伸缩性，可靠性和兼容性，以便作为一个系统无缝地协同工作。
该设备的制造涉及九种不同可伸缩油墨的配方，这些油墨用于打印电池，电路，显示面板和传感器。该器件逐层印刷到可拉伸的聚合物片上，然后用水凝胶和微控制器芯片组装到整个器件中。每种墨水都经过优化，以确保其与其他层的相容性，同时平衡其电气，化学和机械性能。
在这项研究中，研究人员对系统的每个组件进行了压力测试，确保显示器，传感器和电池可以在1个周期内拉伸高达20%，而对其性能几乎没有影响。电池也有足够的电量，以确保贴片可以持续一周以上的不间断使用。
为了展示该贴片的广泛应用可能性，研究人员演示了四种不同类型的传感器：钠传感器，pH传感器，乳酸传感器和葡萄糖传感器。每种传感器类型在运动期间测量汗液中的不同指标。
“添加柔性显示器和可拉伸电池对实用的表皮微尺度传感平台具有巨大影响，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授JosephWang说。他是这篇新论文的资深作者，也是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的联合主任。
研究小组还包括一个由粘合剂制成的流体通道，将贴片粘附在皮肤上并引导汗液流过传感器。贴片上包含一个小型开关机构，只要用户按下开关，被测化学物质的浓度就会立即显示在显示屏上。
可穿戴屏幕上的快速可视化
为了可视化来自传感器的数据，作者设计了一种特殊类型的非发光显示器，称为电致变色显示器。电致变色显示技术使用的材料在施加电脉冲时会改变颜色，具有非常低的功耗。
显示屏可以快速改变颜色，以可视化汗液乳酸浓度。
“这是一项相对较新的技术，你现在在建筑物和一些飞机的变色窗户上看到。但挑战在于使其与补丁其余部分的柔软，可拉伸的外形兼容，“Yin说。“典型的电致变色显示器需要具有导电但脆性涂层的透明玻璃面板，这对我们的设备不起作用。
相反，研究人员转向了一种名为PEDOT：PSS的特殊聚合物，它既导电又具有电致变色特性。当施加负电压时，聚合物从浅天蓝色变为深海军蓝色，并在施加正电压时回转。通过使用PEDOT：PSS调整油墨配方，我们可以使其既可打印又可拉伸。
研究人员设计了一个由10个像素组成的显示面板，该面板被编程为通过打开不同数量的像素来显示化学物质的浓度。在优化显示器的运行条件后，每个像素可以反向打开和关闭超过10，个周期，足以满足其为期一周的操作。像素只需毫秒即可改变颜色，在此期间它们平均消耗80微瓦的功率。由于无需电源即可保持显示的结果，因此显示器对于其应用非常节能。
目前，该贴片不可充电，一次可与一个传感器配合使用。该团队的目标是开发一种更先进的集成传感器版本，该版本允许电池可充电，甚至可以从身体收集能量，以延长可穿戴贴片的使用寿命。皮肤磨损的多路复用传感器-同时测量多个生物标志物-也可以添加到系统中，以提供用户生理状态的全面视图。