科學家研發(fā)新型多功能電子皮膚，可測心率計步

近日，來自科羅拉多大學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，就像真正的皮膚一樣。它還可以執(zhí)行一系列感官任務，例如測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，如果人們想像項鏈一樣戴它，可以戴在脖子上?！?/p>

研究人員還表示，他們希望這一創(chuàng)造將有助于重新擴展可穿戴設(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

長期以來，那些輕薄而舒適可穿戴設(shè)備一直是科幻小說的主要內(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?！?/p>

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

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

從更深的角度來看，該設(shè)備由 EGaIn LM合金，以及封裝在兩個薄彈性聚亞胺膜（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。

此外，當設(shè)備嚴重損壞或不需要時，可通過浸泡在回收液中進行充分回收，當聚亞胺完全解聚時，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，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)異的導電性、優(yōu)異的內(nèi)在機械柔軟性和變形性，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

同時為了制造他們的彈力產(chǎn)品，研究團隊使用絲網(wǎng)印刷來創(chuàng)建一個液態(tài)金屬絲網(wǎng)絡，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)備是可自我修復并且可以完全可回收的。

當設(shè)備損壞時，碎片可以接在界面上產(chǎn)生新的共價鍵。不同于那些非共價超分子鍵合作用，此處使用的聚亞胺基質(zhì)由共價鍵組成，因此使裝置更加堅固，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機械和電氣功能。必要時壓力可用于改善界面接觸和加速鍵交換反應，以實現(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，該團隊報告說，它還可以在任何方向上伸展 60%，而不會破壞內(nèi)部的電子設(shè)備。研究人員說：“它真的很有彈性，這使得許多以前無法選擇的可能性成為可能?！?/p>

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：可靠地測量身體的臨時狀態(tài)、心律、運動模式等。

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。因為在幾分鐘之內(nèi)，聚亞胺材料將開始重整，在 13 分鐘內(nèi)，損害將幾乎無法檢測到，這類似于皮膚愈合。

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

據(jù)估計，到 2021 年人類將生產(chǎn)超過 5500 萬噸的廢棄智能手機、筆記本電腦和其他電子產(chǎn)品。該團隊所制造的可伸縮設(shè)備，有望“消滅”垃圾填埋場。

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

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，而不是從終點開始，或者從何時開始丟棄。我們需要的是一種易于回收的設(shè)備?！?/p>

不過，研究人員也表示，電子皮膚距離真正應用還有很長的路要走。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成為未來的時尚潮流。

更多應用的實現(xiàn)

上個月，華中科技大學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展。

研究人員首先建立了電極-皮膚的分布參數(shù)電學模型，在該模型基礎(chǔ)上進一步推導了信號補償理論，并且通過相關(guān)實驗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信號的干擾。

同時，研究人員采用理論計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)計僅僅讓皮膚感受不到電子器件的力學約束，更能讓體內(nèi)汗液和熱量順暢地排出。

此外，得益于突破“電路信號補償-大面積制造-近零應變轉(zhuǎn)印”等瓶頸，研究人員展示了大面積電子紋身在未來數(shù)字健康、高精度人機交互等領(lǐng)域的成功應用。

圖 | 大面積電子紋身的應用實例——手語識別、假肢控制、頸部肌電云圖

英文字母手語識別、單詞字母連續(xù)識別和實時假肢控制等技術(shù)為殘障人士進行高性能人機自然交互提供可能，頸部肌電云圖采集有助于語音康復、吞咽功能評估、頸椎病監(jiān)測等，多通道的心電監(jiān)測可以反映心臟不同部位的狀況，實現(xiàn)對心律不整、心悸等多種心臟疾病的監(jiān)測。

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