研究背景
电子皮肤作为柔性电子领域的重要发展方向，在健康监测、人机交互、软体机器人以及智能医疗等领域展现出广阔应用前景。理想的电子皮肤不仅需要具备稳定的电信号传输能力，还应兼具长期佩戴舒适性与环境适应性。然而，目前广泛采用的致密性聚氨酯、聚二甲基硅氧烷及聚酰亚胺（PI）薄膜等柔性基底的透气性远低于人体皮肤正常排汗需求，长时间佩戴容易造成汗液积聚、皮肤刺激以及监测信号衰减。
气凝胶材料因其超高孔隙率和优异透气性能，是构筑透气舒适电子皮肤的重要候选材料。其中PI气凝胶兼具轻质、高强、耐高温和生物相容性等优势。然而，多孔结构同时也给导电层构筑带来了新的挑战：传统导电材料难以牢固附着于疏松气凝胶骨架表面，液态金属颗粒墨水虽然具有良好的表面浸润性，但其表面稳定氧化层会阻碍电子传输，通常需要机械挤压、激光烧结或高温退火等复杂激活方式恢复高导电性。此外，导电层覆盖还容易堵塞气凝胶孔道，降低透气性能。因此，如何在保持超高透气性的同时实现高导电、高稳定和长期可靠服役，是发展高性能气凝胶电子皮肤亟待解决的重要难题。
成果简介
针对上述问题，江南大学刘天西/董建成副团队联合韩国科学技术院（KAIST）Steve Park教授提出了一种全聚酰亚胺介导液态金属颗粒组装策略，成功构筑兼具高透气性、高导电性与超长服役寿命的新型气凝胶电子皮肤。
研究团队首先利用BPDA与DMBZ单体制备超轻质PI气凝胶，并进一步设计聚酰胺酸（PAA）包覆液态金属颗粒形成可印刷电子墨水。热处理过程中，PAA向PI转化时产生体积收缩，通过原位压缩应力破坏液态金属颗粒表面的绝缘氧化层，实现无需外部机械刺激的低温热烧结导电激活。同时，PI分子链与气凝胶骨架之间形成牢固的分子作用和机械互锁结构，显著提升导电网络稳定性。得益于该创新设计，所构筑气凝胶电子皮肤兼具超轻质量、高导电性和优异透气性能。PI气凝胶密度仅约0.09 g cm-3，可轻松置于树叶表面而不引起明显弯曲。同时材料具有本征疏水性（水接触角＞123°），水蒸气透过率高达1700 g m-2 day-1，远超传统致密PI薄膜。液态金属导电网络经140 ℃温和热处理后即可实现烧结导通，电导率达到8.17×10⁵ S m-1。在可靠性方面，导电线路经20万次弯曲循环后仍保持稳定导电性能，在复杂弯折、扭转、水下扰动以及人工汗液环境中均无明显性能衰减。基于该气凝胶电子皮肤平台，研究团队进一步开发了柔性霍尔磁场传感器、可穿戴焦耳加热器以及长期生理电监测系统，实现了复杂运动状态下高信噪比心电（ECG）和肌电（EMG）信号连续采集。连续佩戴7天后仍能维持稳定监测性能，而传统商用Ag/AgCl电极已出现明显脱水失效和信号衰减现象。
该工作提出了一种兼顾透气舒适性、导电稳定性与长期可靠性的气凝胶电子皮肤构筑新范式，为下一代全天候健康监测、生物电子界面及智能医疗器件的发展提供了新的解决方案。相关工作以“All-Polyimide-Mediated Liquid Metal Assembly on Aerogels for Breathable and Robust Electronic Skins”为题发表在Advanced Materials上。江南大学化学与材料工程学院2024级硕士生朱海军为本文第一作者。
研究亮点
★ 提出聚酰胺酸包覆液态金属微粒的分子工程策略，建立了一种全新“化学收缩驱动液态金属烧结新机制”，为液态金属颗粒柔性电子制造提供了普适性新思路。
★ 构筑超轻质聚酰亚胺气凝胶电子皮肤，兼具1700 g m-2 day-1超高水蒸气透过率和本征疏水性，实现柔性霍尔传感、焦耳加热以及长期ECG/EMG监测等多种功能集成，为高性能可穿戴生物电子器件提供通用技术平台。
图1. 聚酰亚胺气凝胶电子皮肤的设计理念与整体构筑策略。 传统电子皮肤普遍面临“透气性与可靠性难以兼得”的核心矛盾：致密聚合物基底虽然具有较好的机械稳定性，却严重阻碍皮肤汗液蒸发；而高孔隙率气凝胶虽具备优异透气性，却难以构建稳定导电网络。针对这一问题，本研究首次提出全聚酰亚胺介导液态金属颗粒组装新策略。通过构筑超轻质PI气凝胶骨架，并引入聚酰胺酸包覆液态金属微粒，实现了导电网络与多孔骨架的一体化集成。与传统柔性电子中导电层覆盖即牺牲透气性的设计不同，本工作利用气凝胶内部三维连通孔道建立“侧向透湿通路”，使水蒸气能够绕过表面导电线路持续传输，从结构层面解决了高导电性与高透气性之间的矛盾，为新一代舒适型电子皮肤提供了新的设计范式。 图2. 超轻质聚酰亚胺气凝胶的结构构筑与性能优化。 PI气凝胶不仅是导电网络的支撑平台，更决定了整个电子皮肤的透气性、柔性与环境稳定性。研究团队通过调控冷冻温度实现冰晶模板尺寸调节，系统研究了孔结构演化规律及其对力学性能的影响。结果发现，较高冻结温度形成的大尺寸孔结构能够保留更完整、更厚实的骨架网络，从而获得更高强度和结构稳定性。优化后的气凝胶密度仅约0.09 g cm-3，可轻松放置于树叶表面而不引起明显弯曲，同时能够实现打结、卷曲等极端变形而不发生断裂。此外，由于DMBZ结构中的甲基侧基赋予PI较低表面能，气凝胶表现出超过123°的本征疏水性，并可抵抗咖啡、墨水、碘伏等多种液体浸润。结合超过460 ℃的热稳定性，该材料突破了传统透气基底力学性能弱、环境稳定性差的限制，为后续液态金属集成提供了理想多孔透气基底。 图3. 聚酰亚胺包覆液态金属墨水的分子工程设计与低温自激活机制。 液态金属颗粒虽然具有良好的溶液可加工性，但表面稳定氧化层会阻碍电子传输，因此传统液态金属电路通常依赖机械挤压、激光烧结或高温退火实现导通。本研究创新性地利用PAA包覆液态金属微粒，构筑具有良好流变性能和可印刷性的导电墨水。PAA中的羧基和酰胺基能够与液态金属表面Ga3+形成稳定配位作用，显著提高墨水稳定性和加工性能。更重要的是，研究首次利用PAA向PI转化过程中的体积收缩效应作为液态金属烧结驱动力。当热处理温度140 ℃时，PAA发生热亚胺化并伴随脱水和体积压缩，产生足以破坏氧化层的压缩应力，从而实现液态金属颗粒之间的原位导通。这一过程无需任何机械接触或高温烧结，最终获得高达8.17 × 105 S m-1的电导率，建立了一种全新的“化学收缩驱动液态金属烧结机制”，为液态金属颗粒柔性电子制造提供了普适性新思路。 图4. 导电聚酰亚胺气凝胶的电学稳定性与多功能器件应用。 对于电子皮肤而言，长期机械变形条件下的导电稳定性至关重要。得益于PI气凝胶柔韧而连续的开放孔骨架结构，导电网络在扭转、弯曲及复杂形变过程中能够有效释放应力集中，保持导电通路完整。实验表明，器件在20万次连续弯曲循环后仍保持稳定电阻响应，展现出远超传统柔性导体的耐久性能。同时，即使在持续水下扰动环境中，导电线路依然能够稳定点亮LED，验证了其优异环境适应能力。基于这一稳定平台，研究团队进一步构建了气凝胶基柔性霍尔磁场传感器和低电压焦耳加热器，实现从信号感知到主动反馈的多功能集成，证明该体系具备构筑复杂柔性电子系统的潜力。 图5. 超高透气性电子皮肤的生物相容性与长期佩戴舒适性。 长期佩戴电子皮肤最大的挑战之一是皮肤界面的热湿平衡。本研究构筑的PI气凝胶具有高度连通的开放孔结构，即使在表面印刷大面积液态金属线路后，内部三维孔道仍能够维持连续水蒸气传输。测试结果表明，电子皮肤的水蒸气透过率高达1637 g m-2 day-1，接近人体正常排汗需求，远高于传统PI薄膜。同时即使导电层覆盖率达到90%，透气性能仍保持在较高水平，验证了其独特的“导电-透气解耦”设计理念。此外，细胞活力测试和长期佩戴实验均表明材料具有优异生物相容性，连续佩戴7天后皮肤无明显红肿或刺激反应，充分体现了其作为下一代可穿戴电子界面的应用优势。 图6. 长期稳定生理电监测与全天候健康管理应用。 为了验证电子皮肤的实际应用能力，研究团队系统评估了其在复杂运动环境下的生理电监测性能。由于聚酰亚胺气凝胶电极具有低界面阻抗和稳定皮肤接触特性，其肌电与心电信号质量显著优于传统Ag/AgCl电极。即使经历连续7天佩戴，电极阻抗和信号幅值仍保持稳定，而商用电极在24 h内已出现明显脱水失效。特别是在跳跃、冲刺、水下运动等高动态场景下，气凝胶电子皮肤仍能够稳定采集高信噪比EMG和ECG信号，并成功实现运动状态识别与心率变化追踪。该结果充分证明，全聚酰亚胺气凝胶电子皮肤不仅解决了长期佩戴舒适性问题，同时实现了复杂环境下的高保真生理信息获取，为全天候健康监测、人机交互和智能医疗系统提供了可靠的柔性电子平台。
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