Electronic skin không chỉ cần sensor mềm: Cả mạch nối và nền đỡ cũng phải “thở” cùng da

Một cảm biến mềm chưa tạo nên một electronic skin tốt. Chỉ cần dây nối bị đứt khi người dùng gập khuỷu tay, chip cứng bong khỏi nền, pin làm vùng da bên dưới bí mồ hôi hoặc lớp bảo vệ biến toàn bộ miếng dán thành một tấm nhựa kín, lợi thế của sensor co giãn gần như biến mất.

Đây là một bottleneck mang tính hệ thống của wearable electronics: cơ thể không chỉ uốn cong mà còn kéo giãn, xoắn, tiết mồ hôi và liên tục trao đổi nhiệt với môi trường. Muốn một thiết bị có thể nằm trên da nhiều giờ hoặc nhiều ngày, không chỉ phần sensing mà cả substrate, interconnect và nơi gắn linh kiện cứng phải chịu được những điều kiện đó cùng lúc.

Một nhóm tại Northwestern Polytechnical University vừa đề xuất một cách xử lý vấn đề này bằng nền swelling-induced strain-isolated substrate, viết tắt SISS. Thay vì cố làm mọi bộ phận mềm như nhau, họ chia hệ thành những “đảo cứng” nơi chip, pin và module chức năng được đặt ổn định, xen giữa là các “cầu mềm” chịu phần lớn biến dạng và mang dây dẫn kim loại lỏng.

Điểm đáng chú ý là hai vùng này vẫn được tạo trên cùng một mạng nanofiber polyurethane xốp. Nhóm thay đổi độ cứng cục bộ bằng cách cho monomer thấm vào từng sợi rồi polymer hóa tại chỗ, thay vì phủ một lớp polymer kín lên bề mặt. Nhờ đó, nền vẫn giữ các đường rỗng cho khí và hơi ẩm đi qua.

Trong paper công bố trên Nature Communications tháng 8/2026, SISS đạt elongation khoảng 519%, giữ mạch hoạt động ở mức kéo 500% và duy trì interconnect ổn định qua hơn 10.000 chu kỳ ở 100% strain. Độ thấm khí được đo ở 31,4 mm/s và độ thấm ẩm 2.577,67 g m⁻² ngày⁻¹. Nhóm còn tích hợp wireless charging, pin zinc-ion và mảng pressure sensor thành một hệ theo dõi tư thế có thể mặc trên người.

Wearable thường hỏng ở chỗ vật liệu mềm gặp linh kiện cứng

Silicon chip, diode, resistor hay nhiều cell pin vẫn là những vật thể tương đối cứng. Ngược lại, elastomer và màng sợi dùng trong wearable có thể kéo giãn hàng chục tới hàng trăm phần trăm.

Nếu đặt một chip cứng trực tiếp lên một tấm nền rất mềm, strain không phân bố đều. Vùng ngay quanh mép chip phải hấp thụ phần chênh lệch cơ học lớn nhất. Đây là nơi stress tập trung, dễ dẫn tới bong keo, rách substrate hoặc đứt đường dẫn điện.

Khái niệm island–bridge được phát triển chính để giải quyết chuyện này. Các linh kiện cứng nằm trên những đảo gần như không biến dạng; những đoạn mềm giữa các đảo kéo dài thay cho chúng. Vấn đề là nếu “đảo” và “cầu” được làm từ vật liệu hoàn toàn khác nhau, interface giữa hai vùng lại trở thành một điểm yếu mới.

Nhóm Northwestern Polytechnical University chọn cách tạo cả hai từ cùng một nền polyurethane điện kéo sợi. Sự khác biệt về độ cứng đến từ thành phần polyacrylate được đưa vào bên trong sợi.

Thay vì phủ thêm một lớp cứng, họ thay đổi chính từng sợi polymer

Nền ban đầu là một membrane polyurethane tạo bằng electrospinning. Cấu trúc này giống một tấm lưới gồm vô số sợi rất nhỏ đan vào nhau, để lại nhiều khoảng rỗng nối thông. Chính các lỗ này tạo breathability.

Nhóm in precursor acrylate lên những vùng định trước. Monomer thấm vào bên trong nanofiber, làm chuỗi polyurethane nở ra. Sau đó ánh sáng được dùng để polymer hóa monomer ngay trong trạng thái đã trương nở, tạo một mạng PU/polyacrylate đan xuyên nhau.

Bằng cách thay tỷ lệ hai monomer — isobornyl acrylate (IBOA) cứng hơn và butyl acrylate (BA) mềm hơn — nhóm điều chỉnh local modulus. Vùng giàu IBOA trở thành Stiff-PA island; vùng giàu BA trở thành Soft-PA bridge.

Điểm khác với việc đơn giản quét PDMS hay Ecoflex lên màng là polyacrylate chủ yếu được hình thành bên trong mạng sợi. Cấu trúc porous giữa các fiber vì vậy vẫn còn thay vì bị một film đặc bịt kín.

Khi kéo, những đảo cứng gần như giữ nguyên hình học, còn bridge mềm giãn ra. Mô phỏng và ảnh hiển vi trong paper cho thấy ngay cả khi tổng strain tăng tới 500%, biến dạng vẫn chủ yếu tập trung vào vùng mềm và nhóm không quan sát thấy crack tại interface trong phép thử đó.

“Dây điện mềm” cũng phải sống sót sau hàng nghìn lần kéo

Một wearable có substrate kéo được 500% nhưng resistance thay đổi mạnh khi người dùng cử động vẫn không có nhiều giá trị. Vì vậy nhóm thử cả mạch điện thay vì chỉ đo cơ tính của polymer.

Interconnect được tạo từ eutectic gallium–indium, một hợp kim kim loại lỏng ở gần nhiệt độ phòng. Một resistor 1 Ω được đặt trên đảo cứng rồi nối qua cầu mềm bằng đường kim loại lỏng.

Hệ vẫn hoạt động khi được kéo tới 500%, với ΔR/R₀ bằng 3,78 trong thử nghiệm cực hạn này. Trong cấu hình đối chứng không có strain-isolation tương tự, interconnect hỏng ở khoảng 39,4% strain.

Quan trọng hơn với sử dụng thực tế, khi lặp hơn 10.000 chu kỳ kéo 100%, interconnect trên SISS chỉ có biến thiên resistance nhỏ theo báo cáo của nhóm. LED gắn trên đảo cứng vẫn sáng khi hệ bị kéo và xoắn.

Mối nối giữa vùng mềm và linh kiện cũng được định lượng. Nhóm đo interfacial fracture energy tới 571,4 J m⁻², trong khi các substrate đối chứng PU, PU/Ecoflex và PU/PDMS đều dưới 40 J m⁻² trong setup của nghiên cứu.

Đây là phần dễ bị bỏ qua khi nói về e-skin. Một conductor siêu co giãn riêng lẻ chưa đủ; nó phải bám được vào substrate và tiếp xúc điện ổn định với những component không co giãn.

“Thở như da” thực tế có nghĩa là để khí, hơi nước và nhiệt đi qua

Da người liên tục thải hơi nước và mồ hôi. Một miếng wearable kín có thể tạo một microclimate nóng và ẩm phía dưới, làm giảm adhesion, gây khó chịu và trong thời gian dài có thể kích ứng da.

SISS đạt air permeability 31,4 mm/s và moisture permeability 2.577,67 g m⁻² ngày⁻¹. Trong phép so sánh của paper, hai giá trị này cao hơn lần lượt khoảng 18 và 21 lần so với substrate PU phủ PDMS đặc mà nhóm sử dụng làm đối chứng.

Breathability không có nghĩa nước lỏng có thể đi xuyên tự do. Hệ vẫn đạt hydrostatic pressure 115,85 mbar, cao hơn membrane PU nguyên bản trong thử nghiệm, dù thấp hơn những lớp polymer đặc. Đây chính là một trade-off: đóng kín tốt hơn thường đồng nghĩa giảm trao đổi khí và hơi ẩm.

Trong thử nghiệm mặc khi vận động mạnh, độ ẩm da dưới SISS duy trì khoảng 42%, trong khi dưới hệ không thoáng tăng tới khoảng 70% và xuất hiện ban đỏ rõ hơn. Khi hệ SISS được mặc liên tục ba ngày, nhóm báo cáo không quan sát thấy kích ứng da rõ rệt; air permeability còn hơn 98% mức ban đầu và drift tín hiệu sensor dưới 7,6%.

Những kết quả này cho thấy “breathable electronics” không nên chỉ mô tả một electrode có lỗ. Nếu một lớp encapsulation hoặc PCB đặt phía trên bịt toàn bộ đường thoát ẩm, hệ cuối cùng vẫn bí như thường.

Từ miếng vật liệu tới một hệ có pin, sạc không dây và 16 sensor

Nhóm thử xem kiến trúc có chịu được việc tích hợp những thành phần thực tế hơn hay không. Họ đặt coil nhận năng lượng, rectifier, sáu zinc-ion battery, một mảng 16 pressure sensor và flexible PCB lên hệ rồi gắn nó ở mặt ngoài của áo để theo dõi tư thế người nằm lâu.

Coil nhận điện được giữ trên vùng cứng để hình học của antenna không bị kéo méo — một chi tiết quan trọng vì biến dạng coil có thể làm thay đổi inductance và giảm hiệu quả ghép từ. Khi substrate được kéo từ 0 tới 100%, điện áp nhận sau hệ coil vẫn gần 6 V trong phép đo của nhóm.

Zinc-ion battery cũng được bố trí trên vùng ít chịu strain. Cell trong paper đạt areal capacity khoảng 0,52 mAh cm⁻² ở 1 mA cm⁻² và đường charge–discharge gần như không đổi khi toàn hệ bị kéo 100%.

Ở mức hệ thống, wearable hoạt động dưới biaxial strain 30% và phân biệt được các tư thế nằm ngửa, nghiêng trái và nghiêng phải từ bản đồ pressure. Nhóm còn tạo cảnh báo dựa trên thời gian khi một vùng chịu áp lực quá lâu — một ứng dụng hướng tới người phải nằm bất động kéo dài.

Điểm của demo không phải một sản phẩm chống loét tì đè đã sẵn sàng sử dụng trong bệnh viện. Nó cho thấy nền porous vẫn có thể chứa những thứ vốn không “mềm” theo nghĩa truyền thống — rectifier, PCB, battery, antenna — nếu strain được phân phối có chủ đích.

Package vẫn là bài toán khó: breathable và chống ẩm kéo theo hai hướng ngược nhau

Đây cũng là giới hạn cần làm rõ nếu nói toàn bộ electronic skin phải “thở”. Paper SISS chủ yếu giải quyết substrate, interconnect và mechanical integration. Nó chưa chứng minh một giải pháp packaging phổ quát cho mọi loại chip nhạy ẩm.

Trong electronics, encapsulation thường phải làm nhiệm vụ ngược lại với da: ngăn oxygen, nước, ion từ mồ hôi và hóa chất môi trường tiếp cận những lớp điện tử. Một lớp càng kín thường càng bảo vệ tốt, nhưng càng làm wearable khó thoát hơi.

Một review trên npj Flexible Electronics năm 2026 mô tả chính trade-off này. Polymer hữu cơ dễ co giãn nhưng cản ẩm không tốt; barrier vô cơ cản nước và oxygen tốt nhưng giòn. Các hướng như selective encapsulation, micro-vent, island–bridge và barrier dạng gợn sóng đang được dùng để chỉ bịt kín những vùng thật sự cần bảo vệ, trong khi giữ phần còn lại thông thoáng.

Vì vậy “package học cách thở” có lẽ không có nghĩa mọi chip đều để hở. Một kiến trúc thực tế hơn là đóng kín có chọn lọc: bảo vệ semiconductor, battery và contact nhạy với sweat bằng barrier cục bộ, nhưng giữ phần substrate, bridge và vùng tiếp xúc da đủ porous để nhiệt và hơi ẩm thoát ra.

Electronic skin đang chuyển từ cuộc thi sensor sang bài toán system engineering

Nhiều năm qua, các headline về e-skin thường tập trung vào một sensor mới: pressure sensitivity cao hơn, strain range lớn hơn, thêm temperature, sweat chemistry hoặc tactile sensing. Những chỉ số này vẫn quan trọng, nhưng wearable thực sự còn có các thành phần ít nổi bật hơn: đường nguồn, ground, antenna, battery, solder/contact, encapsulation và nơi chip được gắn lên nền.

Mỗi phần có yêu cầu cơ học khác nhau. Antenna không muốn bị biến dạng quá nhiều. Interconnect lại phải chịu biến dạng. Chip cần một vùng ổn định. Da bên dưới cần trao đổi nhiệt và ẩm. Package phải bảo vệ electronics khỏi chính lượng ẩm mà wearable đang cố cho thoát ra.

SISS không giải tất cả những mâu thuẫn đó, nhưng nó cho thấy một nguyên tắc thiết kế hữu ích: không cần ép mọi vật liệu trở thành “cao su điện tử”. Có thể giữ component cứng ở nơi chúng làm việc tốt nhất, rồi thiết kế nền xung quanh để strain đi vòng qua chúng trong khi mạng lỗ xốp vẫn liên tục.

Bước tiếp theo sẽ khó hơn việc chứng minh một LED vẫn sáng khi kéo 500%. Một platform wearable muốn đi tới ứng dụng dài hạn phải giữ các mối nối ổn định sau mồ hôi, giặt, cọ xát và hàng triệu chu kỳ chuyển động; chứng minh battery an toàn khi nằm sát cơ thể; tích hợp barrier cho chip mà không bịt mất breathability; và sản xuất các vùng modulus khác nhau với yield cao trên diện tích lớn.

Nếu vượt qua được những bước đó, electronic skin sẽ bớt giống một sensor mềm được dán lên người và gần hơn với một hệ điện tử thực sự có kiến trúc cơ học giống da: chỗ cần cứng thì cứng, chỗ cần giãn thì giãn, và giữa tất cả những chức năng đó vẫn còn đường cho cơ thể tiếp tục thoát nhiệt và hơi nước.

Nguồn chính: Nature Communications — Swelling-induced strain-isolation for stretchable and breathable integrated electronics. Bối cảnh về encapsulation trong stretchable electronics: npj Flexible Electronics — Materials, processing, and structural strategies for encapsulation in stretchable and flexible optoelectronics.