电子皮肤(E-skins)在连续监测人体运动学和生理信号方面具有巨大潜力，为医疗管理、人机接口和软体机器人提供了变革性解决方案。然而，大多数现有基底依赖致密密封聚合物薄膜（如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚酰亚胺），其透气性极差（空气渗透性<1 mm s−1，水蒸汽传输率<50 g m−2 day−1），远低于人体在静坐条件下的不感知出汗率（约600 g m−2 day−1）。这导致汗液在器件-皮肤界面积聚，引起皮肤刺激和信号退化。针对这一透气性与舒适性的两难困境，江南大学的团队与韩国科学技术院(KAIST)团队在Advanced Materials上提出了一种稳健策略：将超轻聚酰亚胺气凝胶(PIA)与分子工程液态金属颗粒墨水集成，通过聚酰胺酸(PAA)壳封装液态金属颗粒(LMP)，在140°C温和热处理下触发酰亚胺化诱导收缩，产生压应力破坏绝缘氧化层，实现高导电性(8.17×10^5 S m−1)。各向同性开孔框架将导电墨水限制在表面区域，同时保持3D通路用于横向气体传输，使电子皮肤在导电层覆盖率30%-90%范围内仍保持>1524 g m−2 day−1的高透气性，成功解决了传统电子皮肤中透气性与结构可靠性之间的根本性冲突。

透气性与舒适性的两难困境——电子皮肤的核心挑战

理想电子皮肤必须结合可靠的信号传输与佩戴舒适性，但现有材料体系在这两方面往往难以兼得。致密聚合物薄膜虽然能提供良好的柔性和信号传输稳定性，但其透气性极差，导致长时间佩戴后汗液积聚、皮肤刺激和信号退化。为解决这一问题，研究人员转向多孔基底（如纤维网络、聚合物气凝胶），其中聚酰亚胺(PI)气凝胶因其优异的柔韧性、热稳定性(>400°C)、耐化学性和生物相容性而备受关注。

然而，将功能性导电网络引入多孔PI基底仍面临根本挑战：一方面，印刷方法可能通过孔隙堵塞损害透气性；另一方面，液态金属颗粒(LMPs)与轻质气凝胶基底之间的界面结合力弱，难以承受反复变形。此外，LMPs表面的绝缘氧化层(Ga2O3)阻碍电传输，通常需要破坏性机械或化学活化步骤，这与精细气凝胶结构不兼容。因此，开发一种同时实现稳健界面结合和温和电活化的方法，是实用透气电子皮肤发展的关键。

图1 PIA电子皮肤的制备工艺及应用

超轻聚酰亚胺气凝胶的设计与独特性能

PIA基底通过3,3′,4,4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)和2,2′-二甲基-[1,1′-联苯]-4,4′-二胺(DMBZ)单体的溶胶-凝胶聚合合成，然后冷冻干燥和热酰亚胺化。超轻密度（约0.09 g cm−3）使4×4 cm2的PIA薄膜能够 resting on the tip of a leaf without bending the branch。此外，气凝胶可以打结或缠绕在高曲率玻璃棒上而不发生机械失效，突显了多孔基底的出色可变形性。PIA薄膜还可以轻松激光切割成任意几何形状，适配特定应用，所得PIA E-skin能够平滑贴合弯曲皮肤表面。

PIA-1（在−20°C冷冻制备）表现出最优的综合性能：平均孔径约157 µm，拉伸强度1.53 MPa（几乎是PIA-2和PIA-3的两倍），水汽传输率(WVTR)高达1700 g m−2 day−1。PIA本征疏水，水接触角(WCA)超过123°，源于DMBZ芳环上的甲基基团(-CH3)增强了分子疏水性。这种疏水性使气凝胶表面能够去湿多种液体（可乐、咖啡、牛奶、墨水、碘伏、酸碱液体），防止日常操作中的污染。气流实验证明气体气泡能够轻易穿透PIA，证实其高空气渗透性。

图2. PIA基底的性能表征。(a)PIA基底的超轻特性（4×4 cm2薄膜 resting on leaf tip）、(b)高柔性和(c)定制化与皮肤贴合性的数码图像（标尺=1 cm）；(d)PAA和PI气凝胶的FT-IR光谱——1780和1720 cm−1处的C═O伸缩振动和1367 cm−1处的C─N伸缩振动证实酰亚胺键形成；(e)在−20°C制备的PIA的SEM图像：(i)表面和(ii)横截面形貌（显示大孔结构）；(f)PIA-1、PIA-2和PIA-3基底的应力-应变曲线和(g)综合性能比较；(h)PIA在氮气和空气环境下的TG曲线（热稳定性高达460°C）；(i)PIA-1、PIA-2和PIA-3基底的水接触角；(j)PIA疏水性演示；(k)气凝胶空气渗透性演示。

分子工程液态金属墨水的低温活化策略

为实现与PIA基底的稳健集成，团队设计了PAA封装LMP墨水(PAAP)。通过行星混合将块体液态金属分散到PAA基质中，产生平均直径1.7 µm的PAA封装微粒。PAA链上的羧基(-COOH)和酰胺(-CO-NH-)基团与颗粒表面的Ga3+离子配位，形成稳健的有机-无机界面，抑制聚集。这种配方克服了纯液态金属墨水的合并问题，表现出优化的粘度和可印刷性。当墨水沉积在PIA基底上时，通过分子间氢键和π-π堆叠形成稳健界面结合，同时物理机械互锁进一步增强结合力。

得益于PIA基底的高热稳定性，可采用热活化策略。在80°C以上温和加热触发PAA酰亚胺化及随后的体积收缩，这一收缩由蒸发诱导宏观体积减少、脱水环化诱导结构收缩、以及强分子间相互作用促进基质致密化共同驱动。产生的压应力破坏绝缘氧化层，迫使液态金属核心聚并为连续导电通路。导电性在80°C时仅为0.37 S m−1，在100°C时达到6.32×10^3 S m−1，在140°C时达到8.17×10^5 S m−1（有效烧结剂量为50 mg cm−2）。值得注意的是，纯LMP墨水在相同条件下仍保持绝缘，突显PAA壳在应力驱动活化中不可或缺的作用。

图3. 液态金属颗粒墨水的制备和低温活化。(a)PAA封装LMP墨水制备过程示意图及PAA与LM颗粒之间的分子相互作用；(b)块体液态金属和PAAP的粘度变化；(c)PAAP低温热烧结(80°C和140°C)示意图和(d)相应SEM图像（显示氧化物层破裂和液态金属聚并）；(e)印刷在PIA上的PAAP在不同温度热烧结后的导电性；(f)低温烧结与先前报道烧结策略的综合比较；(g)由另外四种代表性PAA配方制备的PAAP在热烧结后的导电性；(h)印刷在木材、纸张、皮革和PIA基底上的热烧结PAAP的导电性；(i)PIA基底上印刷图案在烧结前后的对比（从黑灰色阶段变为金属银色，指示液态金属相的产生）。

机电可靠性与多功能可穿戴应用验证

将PAAP集成到高柔性气凝胶基底上，制备出高导电聚酰亚胺气凝胶(CIPA)。多孔结构和PIA的高韧性使电路在0◦到360◦的反复扭转下电阻仅增加6.86%；向内和向外弯曲（弯曲半径2-10 mm）引起的最大电阻变化为2%。电路在200,000次连续向内弯曲循环（弯曲半径2-10 mm；弯曲速率48 mm min−1）后未出现疲劳退化。这一出色循环稳定性与PIA基底的非凡机械韧性密切相关，其柔性但足够稳健的开孔框架能够有效适应反复弯曲，同时保持结构连续性和稳定导电通路。

CIPA在复杂机械变形下保持电路完整性：蓝色LED在折叠和揉搓过程中未变暗，无电气失效。此外，由于其本征疏水性(WCA>120°)，CIPA在120分钟水浸泡后仍保持完整功能，电阻或LED亮度无可见变化。更深入的水下测试（在pH 4、6和8的人工汗液溶液中，以及50°C连续机械搅拌120分钟）也显示可忽略的电阻变化。这种持续电气性能源于聚酰亚胺基质的本征化学惰性和疏水性，防止腐蚀离子渗透，进一步证明该平台在化学和热相关条件下的 exceptional environmental stability。

利用CIPA的多功能性，团队开发了两种代表性原型：柔性磁场传感电路（集成六个霍尔传感器和六个蓝色LED作为视觉指示器）和保形焦耳加热器。磁场传感电路能够将磁场诱导的电压变化转换为光信号，在S形弯曲等复杂变形下仍保持信号稳定性。焦耳加热器在0.5-3 V直流电压下，表面温度与施加电压呈线性上升关系，精确遵循焦耳定律(Q=U2/R)；在3 V下循环加热-冷却60分钟，温度曲线无显著变化，证明CIPA加热器的出色性能和可靠性

图4. 机电可靠性和多功能可穿戴应用。(a)柔性CIPA导体的扭转电阻；(b)向内和向外弯曲过程中的电阻变化；(c)在200,000次连续向内弯曲循环期间的相对电阻变化（证明卓越机械稳定性）；(d)复杂机械变形和(e)水下扰动（搅拌速率300 rpm）下CIPA导体点亮蓝色LED的稳定性演示；(f)霍尔传感器器件数码图像及磁场变化时LED点亮情况，以及(g)S形弯曲后的LED点亮稳定性；(h)输出电压与磁场强度的关系（距离2-20 mm；LED电压阈值2 V）；(i)0-3 V下的逐步升温曲线；(j)3 V下加热-冷却3600秒后焦耳加热性能耐久性；(k)气凝胶加热器在前臂上的实际应用演示。

生物相容性与透气性验证——长期佩戴的安全保障

生物相容性是可穿戴电子和E-skin应用的先决条件。体外细胞相容性测试（使用人脐静脉内皮细胞HUVECs）证实PIA和CIPA均无可检测的细胞毒性。活/死荧光染色显示细胞 spread well with normal morphology，死细胞数量少，与阴性对照组相当。细胞活力定量测量（第1、2、3天）显示所有组的细胞活力不低于94%。MTT测试进一步证实，PIA组和CIPA组的吸光度随时间成比例增加，与对照组呈现几乎相同的模式，证明PIA E-skin具有非常高的细胞相容性，可安全用于长期表皮应用。

除细胞相容性外，透气性对于维持佩戴期间的皮肤健康同样重要。PIA E-skin具有出色的水汽渗透性，WVTR测量显示PIA具有最高的WVTR（1700 g m−2 day−1），源于其开孔气凝胶网络；CIPA（1637 g m−2 day−1）尽管集成了复杂LM图案，仍保持高渗透性。作为对比，布带和皮革的WVTR明显更低（均低于1400 g m−2 day−1）；PI薄膜的渗透性则低几个数量级（28 g m−1 day−1）。值得注意的是，即使在LM表面覆盖率较低（30%、60%）时，WVTR仍保持在>1524 g m−2 day−1，证实导电层仅对透气性造成有限降低，因为内部气体扩散通路保持畅通。

图5. PIA E-skin的生物相容性和透气性。(a)在含有CIPA导体的培养基中培养的细胞荧光图像，以及阴性对照组；(b)HUVEC活力定量测量（第1-3天）和(c)490 nm波长下不同培养组在第1-3天的吸光度值（MTT测试）；(d)PI薄膜、皮革、布带、PIA、CIPA和棉花在32°C和37°C下的WVTR值比较；(e)通过湿气敏感硅胶从蓝变粉的视觉转换演示CIPA基底的快速透气性（证实印刷导电网络不阻碍内部气体扩散通路）；(f)与先前报道的多孔聚合物基底的WVTR值比较（CIPA具有所有多孔聚合物基底中最高的WVTR值之一）；(g,h)在志愿者前臂连续7天覆盖PI薄膜、布带和CIPA后的皮肤状况数码图像（PI薄膜产生发红和刺激，而CIPA和布带未影响皮肤）。

长期身体验证与高性能电生理监测

PIA E-skin集成了高导电性、柔性、透气性和优异生物相容性，使其成为连续电生理监测的理想选择。界面阻抗测量显示，CIPA电极在1-105 Hz范围内的阻抗显著低于Ag/AgCl版本。令人惊讶的是，CIPA电极在连续使用7天后表现出几乎相同的阻抗，而商用电极在24小时后因脱水失去质量。在10 Hz下，CIPA电极的阻抗在7天后仅增加20%，而Ag/AgCl电极在24小时内出现>1080%的上升，进一步证实其长期生物电位记录的出色稳定性。

通过将CIPA电极与弹性透气绷带集成，可以可靠检测人体肌电图(EMG)信号。CIPA电极能够捕获小腿肌肉从放松到完全收缩状态的爆发式尖锐局部EMG活动。时间-频率分析显示在生理EMG频带(0-500 Hz)内集中高强度能量分布，可忽略的低频运动伪影，证实传感器的高信噪比(SNR)和时间分辨率。在更具挑战性的动态条件下（重复垂直跳跃、竞技冲刺），CIPA电极仍能保持高信号保真度，甚至在7天连续佩戴后仍维持清晰稳定波形，而商用Ag/AgCl电极在24小时后即出现SNR快速下降（降至10.2 dB）和信号幅度衰减（降至0.05 mV）。

除瞬时触发的高精度检测外，系统还补充了高强度体力活动期间的连续心血管监测。实时心电图(ECG)记录能够捕获等待、准备、跑步和放松四个不同阶段的特征性心率变化模式。在100米冲刺期间，心率从等待阶段的约120 bpm上升到起跑后的约160 bpm，在16秒冲刺持续期间维持该速率，然后在休息阶段逐渐降低到约110 bpm。CIPA电极能够在剧烈身体运动条件下清晰读取生物电信号，证明其出色的接触稳定性。

图6. 长期身体验证与高性能电生理监测。(a)7天连续佩戴期间CIPA电极的界面阻抗比较，以及(b)10 Hz下CIPA电极与商用Ag/AgCl电极的阻抗比较；(c)使用气凝胶电极进行水下EMG记录的数码图像；(d)瞬时踮脚收紧、(e)跳跃落地和(f)准备、起跑和跑步动作期间的EMG信号记录：(i)运动示意图和(ii)电位幅度-时间和时间-频率分析；(g)100米冲刺期间的实时心电图(ECG)监测；(h)ECG监测记录；(i)7天连续佩戴期间使用CIPA电极进行握拳动作EMG信号记录比较；(j)使用CIPA电极监测的ECG信号记录；(k)24小时连续佩戴期间使用Ag/AgCl电极进行握拳动作EMG信号记录比较；(l)使用Ag/AgCl电极监测的ECG信号记录。

总结

本工作通过将聚酰亚胺气凝胶与分子工程液态金属墨水集成，开发出一种透气且机械稳健的电子皮肤，有效解决了器件可靠性与长期用户舒适性之间的冲突。核心创新在于低温烧结策略：在140°C温和热处理下，PAA壳发生酰亚胺化诱导收缩，产生压应力破坏绝缘氧化层，同时通过网络与气凝胶框架的稳健化学相互作用和机械互锁将导电网络锚定。所得复合材料即使在极端变形下仍维持稳定电气性能，并且能够承受超过200,000次弯曲循环，甚至在水下环境中也能功能完整。这些协同优势支持了多样化应用，包括保形焦耳加热、磁场传感，以及高强度运动期间的高保真电生理监测。该工作为构建耐用多功能E-skin建立了通用方法，成功解决了可穿戴电子中透气性与结构可靠性之间的传统冲突，为下一代可穿戴医疗保健奠定了坚实基础。

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【论文信息】

论文标题：All-Polyimide-Mediated Liquid Metal Assembly on Aerogels for Breathable and Robust Electronic Skins

作者：Haijun Zhu, Jiancheng Dong*, Hao Qiu, Je Hyeong Kim, Xingyu Liu, Shiyin Lin, Mengting Zheng, Chang Zhou, Yuduo Zhang, Jiayu Hou, Kangjia Geng, Yuchen Wang, Yidong Peng, Haoran Liu, Guanzheng Wu, Yunpeng Huang, Yongsheng Luo, Steve Park*, Tianxi Liu*

期刊：Advanced Materials, 2026, 0: e73751, DOI: 10.1002/adma.73751

第一单位：Jiangnan University (Key Laboratory of Synthetic and Biological Colloids, School of Chemical and Material Engineering, Ministry of Education) / Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) (Department of Materials Science and Engineering) / Yancheng Institute of Technology (College of Textiles and Clothing) / The First Affiliated Hospital of Zhengzhou University (Kidney Transplantation Unit)

通讯作者：Jiancheng Dong (jcdong@jiangnan.edu.cn), Steve Park (stevepark@kaist.ac.kr), Tianxi Liu (txliu@jiangnan.edu.cn)

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