可“真正可穿戴”的電子設(shè)備研發(fā)，新型多功能電子皮膚實(shí)現(xiàn)更多應(yīng)用

近日，來(lái)自科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員開發(fā)了一種“真正可穿戴”的電子設(shè)備。這種可穿戴設(shè)備可以自我修復(fù)，就像真正的皮膚一樣。它還可以執(zhí)行一系列感官任務(wù)，例如測(cè)量用戶的體溫或追蹤人們的日常步數(shù)。

更重要的是，這款可穿戴設(shè)備可以被塑造成適合人們身體任何部位的形狀。

這一受人體皮膚啟發(fā)并粘附在人體皮膚上的可拉伸、可完全回收的電路板“電子皮膚”研究，于 11 月 6 日發(fā)表在 Science Advances 雜志上。

論文作者之一、科羅拉多大學(xué)博爾德分校的 Jianliang Xiao 表示：“如果人們想像手表一樣佩戴它，可以戴在手腕上，如果人們想像項(xiàng)鏈一樣戴它，可以戴在脖子上。”

研究人員還表示，他們希望這一創(chuàng)造將有助于重新擴(kuò)展可穿戴設(shè)備的功能，這樣的高科技皮膚不僅可以使人們收集有關(guān)他們身體的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而且還能夠減少世界上日益增加的電子垃圾數(shù)量。

新型多功能電子皮膚

長(zhǎng)期以來(lái)，那些輕薄而舒適可穿戴設(shè)備一直是科幻小說(shuō)的主要內(nèi)容。比如《終結(jié)者》電影系列中的阿諾·施瓦辛格臉上的皮膚剝落。

研究人員表示：“智能手表的功能很好，但它們始終是一大塊金屬帶。如果我們想要一個(gè)真正可穿戴的設(shè)備，理想情況下它將是一種能舒適地貼合人們身體的薄膜。”

可以說(shuō)，電子皮膚的研發(fā)目標(biāo)，既是機(jī)器人又是人類。研究人員此前曾在 2018 年描述過他們針對(duì)電子皮膚的設(shè)計(jì)，而他們最新版的電子皮膚技術(shù)，在概念上進(jìn)行了很多改進(jìn)，不僅更有彈性，功能也更加強(qiáng)大。

圖 | 人在手腕上佩戴“電子皮膚”設(shè)備

具體而言，多功能可穿戴電子設(shè)備包括三個(gè)傳感模塊：由運(yùn)算放大器和電阻實(shí)現(xiàn)的心電傳感器，用于體溫傳感的溫度計(jì)傳感器，以及用于聲音和運(yùn)動(dòng)傳感的加速度計(jì)。

從更深的角度來(lái)看，該設(shè)備由 EGaIn LM合金，以及封裝在兩個(gè)薄彈性聚亞胺膜（polyimine membranes）之間的商業(yè)小尺寸芯片部件組成。

LM 作為芯片之間的電互連，每個(gè)芯片的引腳精確地安裝在圖案化的LM接觸焊盤上，類似于印刷電路板，但不需要焊接。

圖 | 新型可穿戴設(shè)備組成示意圖

此外，當(dāng)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或不需要時(shí)，可通過浸泡在回收液中進(jìn)行充分回收，當(dāng)聚亞胺完全解聚時(shí)，包括芯片和 EGaIn LM 在內(nèi)的電子元件可以很容易地從溶液中分離出來(lái)，聚合物溶液和電子元件都可以重新用于制造新設(shè)備。

薄且不失延展性的秘密

這款多功能可穿戴電子設(shè)備中的 LM 電路，提供了優(yōu)異的導(dǎo)電性、優(yōu)異的內(nèi)在機(jī)械柔軟性和變形性，因此該設(shè)備可以在貼在人體皮膚上時(shí)弄皺、彎曲、扭曲和拉伸。

圖 | 新型電子皮膚可以被塑造成各種形狀

同時(shí)為了制造他們的彈力產(chǎn)品，研究團(tuán)隊(duì)使用絲網(wǎng)印刷來(lái)創(chuàng)建一個(gè)液態(tài)金屬絲網(wǎng)絡(luò)，然后，他們將這些電路夾在兩層薄膜之間——這兩層薄膜是由一種稱為聚亞胺的高度柔性和自愈材料制成的。

由于聚亞胺的特殊性能，所提該多功能可穿戴電子設(shè)備是可自我修復(fù)并且可以完全可回收的。

當(dāng)設(shè)備損壞時(shí)，碎片可以接在界面上產(chǎn)生新的共價(jià)鍵。不同于那些非共價(jià)超分子鍵合作用，此處使用的聚亞胺基質(zhì)由共價(jià)鍵組成，因此使裝置更加堅(jiān)固，并且可以在較大范圍的條件下操作。

自愈裝置則能夠保障恢復(fù)機(jī)械和電氣功能。必要時(shí)壓力可用于改善界面接觸和加速鍵交換反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)更有效的界面愈合。

由該裝置產(chǎn)生的薄膜比創(chuàng)可貼稍厚，可以加熱皮膚，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告說(shuō)，它還可以在任何方向上伸展 60%，而不會(huì)破壞內(nèi)部的電子設(shè)備。研究人員說(shuō)：“它真的很有彈性，這使得許多以前無(wú)法選擇的可能性成為可能。”

圖 | 新的“電子皮膚”設(shè)備可以在任何方向上拉伸60%，而不會(huì)失去任何功能。

研究人員表示，該電子皮膚可以做很多與Fitbits等流行的可穿戴健身設(shè)備相同的事情：可靠地測(cè)量身體的臨時(shí)狀態(tài)、心律、運(yùn)動(dòng)模式等。

研究人員表示，如果一塊電子皮膚被做成了切片，人們要做的就是將破裂的區(qū)域捏在一起。因?yàn)樵趲追昼娭畠?nèi)，聚亞胺材料將開始重整，在 13 分鐘內(nèi)，損害將幾乎無(wú)法檢測(cè)到，這類似于皮膚愈合。

實(shí)際上，該成果還代表了一種制造電子產(chǎn)品的新方法——一種可能對(duì)地球更友好的方法。

據(jù)估計(jì)，到 2021 年人類將生產(chǎn)超過 5500 萬(wàn)噸的廢棄智能手機(jī)、筆記本電腦和其他電子產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)所制造的可伸縮設(shè)備，有望“消滅”垃圾填埋場(chǎng)。

如果把其中一個(gè)貼片浸泡在回收溶液中，聚亞胺會(huì)解聚或分離成其組成分子，而電子組件會(huì)沉到底部。電子器件和彈性材料都可以重復(fù)使用。

圖 | 新型電子皮膚可回收利用示意圖

研究人員表示：“我們對(duì)電子垃圾的解決方案是從制造設(shè)備的方式開始的，而不是從終點(diǎn)開始，或者從何時(shí)開始丟棄。我們需要的是一種易于回收的設(shè)備。”

不過，研究人員也表示，電子皮膚距離真正應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。目前，這些設(shè)備仍需要連接到外部電源才能工作。但是，研究人員相信，人造電子皮膚很快就會(huì)成為未來(lái)的時(shí)尚潮流。

更多應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

上個(gè)月，華中科技大學(xué)也以第一研究單位在 Science Advances 上發(fā)表了相關(guān)論文，闡述了其電子皮膚的最新進(jìn)展。

研究人員首先建立了電極-皮膚的分布參數(shù)電學(xué)模型，在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步推導(dǎo)了信號(hào)補(bǔ)償理論，并且通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)證明該理論能夠很好地消除表皮連接線所采集的生理電勢(shì)信號(hào)的干擾。

同時(shí)，研究人員采用理論計(jì)算和仿真的方法保證了電子紋身不發(fā)生軸向拉伸和面內(nèi)彎曲。這種設(shè)計(jì)僅僅讓皮膚感受不到電子器件的力學(xué)約束，更能讓體內(nèi)汗液和熱量順暢地排出。

此外，得益于突破“電路信號(hào)補(bǔ)償-大面積制造-近零應(yīng)變轉(zhuǎn)印”等瓶頸，研究人員展示了大面積電子紋身在未來(lái)數(shù)字健康、高精度人機(jī)交互等領(lǐng)域的成功應(yīng)用。

圖 | 大面積電子紋身的應(yīng)用實(shí)例——手語(yǔ)識(shí)別、假肢控制、頸部肌電云圖

英文字母手語(yǔ)識(shí)別、單詞字母連續(xù)識(shí)別和實(shí)時(shí)假肢控制等技術(shù)為殘障人士進(jìn)行高性能人機(jī)自然交互提供可能，頸部肌電云圖采集有助于語(yǔ)音康復(fù)、吞咽功能評(píng)估、頸椎病監(jiān)測(cè)等，多通道的心電監(jiān)測(cè)可以反映心臟不同部位的狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)心律不整、心悸等多種心臟疾病的監(jiān)測(cè)。

這些應(yīng)用也使得人們看到越來(lái)越多電子皮膚應(yīng)用的可能性，相信在不久的將來(lái)，電子皮膚一定能幫助人們完成更多看起來(lái)不可能的任務(wù)。

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