新型多層電路電子紋身：突破厚度極限，變形遠(yuǎn)超人類皮膚

可穿戴設(shè)備，已經(jīng)成為我們生活中極為常見的一種設(shè)備，它們體積輕巧、佩戴方便、檢測數(shù)據(jù)齊全，但也存在一個很明顯的缺點——無法適應(yīng)運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。為解決這一問題，科學(xué)家們近年來一直在不斷探索新的解決方案，電子紋身應(yīng)運而生。

“電子紋身” 是一張可以直接貼在人體表面的超薄電路，與普通紋身不同，電子紋身無需外創(chuàng)即可緊緊貼在皮膚上，隨皮膚可隨意拉伸、彎曲，可用于檢測心電、肌電等人體健康數(shù)據(jù)，被認(rèn)為是可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)。

近日，來自南方科技大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊在電子紋身這一研究方向?qū)崿F(xiàn)了新突破。他們開發(fā)出一種集成多層電路的電子紋身（multilayered electronic transfer tattoo，METT）。

這種電子紋身兼具高延展性（8 倍）、保形性和粘性等優(yōu)點，可以嵌入手指皺褶和指紋等一些皮膚上細(xì)小的特征中，能夠牢固地附著在皮膚上，且在皮膚表面經(jīng)反復(fù)變形后也不會脫落。

相關(guān)研究論文以 “Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect” 為題，于近日在線發(fā)表在科學(xué)期刊 Science Advances 上。

研究人員表示，這一新型電子皮膚有望在醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實和可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

突破厚度極限，變形遠(yuǎn)超人類皮膚

事實上，可穿戴設(shè)備的研究與應(yīng)用已有多年，大多數(shù)現(xiàn)已報道的可穿戴設(shè)備都基于硅膠基底設(shè)計，雖然這種基底具有良好的柔性和可拉伸性，且不會對人體組織造成損傷，但無法牢固地附著在人體皮膚上，當(dāng)與人體粘合部位的皮膚變形時，設(shè)備就會脫落。

如今，心率監(jiān)測腕表可能已經(jīng)是人們生活中常見的設(shè)備，人們希望用它來監(jiān)測自己的實時心率等數(shù)據(jù)，但恰恰是在運動時，由于腕表與皮膚的貼合度不夠高，檢測出來的數(shù)據(jù)精度往往無法保證。

而作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備與皮膚之間穩(wěn)固粘合的“終極形態(tài)”，電子紋身有望解決這一問題。

近年來，科學(xué)家們不斷通過使用不同的材料、設(shè)計方法等，來探索設(shè)計性能更優(yōu)越的電子紋身。早在 2018 年，美國卡耐基梅隆大學(xué)的研究人員就采用現(xiàn)成的打印機(jī)，開發(fā)出了一種具有高魯棒性和柔性的電子紋身，并表示有望將其應(yīng)用于可穿戴計算、柔性顯示器、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。但是，目前的電子紋身通常是采取直接將電子電路印在皮膚上或商業(yè)轉(zhuǎn)移紋身的方式，存在電路設(shè)計簡單、功能單一、厚度較大等缺點，無法同時滿足可穿戴設(shè)備的附著性、褶皺保形性和多層性等需求。

為克服這些不兼容性，研究人員在此次研究中基于分層策略，設(shè)計了一個包含 1 個加熱器和 15 個應(yīng)變傳感器的三層 METT 結(jié)構(gòu)電路。該結(jié)構(gòu)可以嵌入到手指折痕和皮膚上的指紋等細(xì)小特征中，以便在附著部位反復(fù)變形時，也可以牢固的附著在上面。

圖 | 三層 METT 的示意圖和光學(xué)圖像。（A）包含三個電路層的 METT 的分解示意圖;（B）METT 的逐層制造的示意圖;（C）轉(zhuǎn)移到皮膚上的 METT 的光學(xué)圖像;插入時，可以將 METT 嵌入手指關(guān)節(jié)的折痕中;（D）METT 的光學(xué)圖像，用于遠(yuǎn)程控制機(jī)械手。（來源：Science Advances）

據(jù)論文描述，METT 包含三個部分，粘合劑層，離型層以及兩者之間的電路模塊。其中，粘合劑層采用了醫(yī)用膠帶上使用的丙烯酸壓敏膠，無毒且粘合力度強(qiáng);考慮到金屬聚合物導(dǎo)體（MPC）具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和拉伸性，研究人員在電路設(shè)計中采用基于 MPC 的應(yīng)變傳感器，來制作 METT 中的電路模塊。實驗證明，該電子紋身在外力影響下，仍可牢固地粘貼在不同的表面上。

對此，研究人員表示，該設(shè)計突破了液態(tài)金屬基電子紋身的厚度極限，使 METT 同時兼具多層電路設(shè)計和保形性的優(yōu)點，電路可以集成任意數(shù)量的應(yīng)變傳感器或其他功能元件，同時可以保留褶皺放大效應(yīng)，這是其他技術(shù)無法實現(xiàn)的。

此外，研究人員還測試了 METT 結(jié)構(gòu)中基于 MPC 的應(yīng)變傳感器的機(jī)電性能。結(jié)果表明，隨著皮膚局部拉伸變形的增加，METT 所使用應(yīng)變傳感器的電阻也隨之增加，并且可以很容易地被拉伸到 8 倍的變形程度，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了皮膚的最大變形。

圖 | METT 可以實現(xiàn)折痕放大效果，具有保形性和粘性（來源：Science Advances）

實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)所使用的傳感器在經(jīng)過 1000 次拉伸后，也表現(xiàn)出了出色的可重復(fù)性，同時這種多層電路電子紋身能夠?qū)崿F(xiàn)皮膚折痕放大效果。當(dāng)變形集中在皮膚的皺紋上，會使得電子紋身上應(yīng)變傳感器的輸出信號放大到 3 倍，且由折痕放大引起的局部變形不會影響應(yīng)變傳感器的性能。

遠(yuǎn)程控制機(jī)械手，應(yīng)用前景廣泛

在應(yīng)用層面，研究人員設(shè)計了三層電子紋身的橫截面，在紋身結(jié)構(gòu)中嵌入了液態(tài)金屬顆粒，從而在每一層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使用三層 METT ，通過位于皮膚上的傳感器來測量手部的運動，可以測量 15 個手勢的自由度。

圖 | METT 可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手（A）將電子紋身轉(zhuǎn)移到手上的照片;（B）METT 分別粘貼在皮膚上（左）和處置手套上（右），紅色虛線框為外部接觸墊;（C）機(jī)器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級框圖;（D）METT 可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手的部分動作。（來源：Science Advances）

測試結(jié)果顯示，通過藍(lán)牙將手指彎曲產(chǎn)生的放大信號傳輸?shù)綑C(jī)械手，兩層 METT 可以實時控制 6 個自由度的機(jī)械手。

研究人員表示，METT 結(jié)構(gòu)可以通過增加機(jī)器手的自由度，應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)，來遠(yuǎn)程執(zhí)行微妙而復(fù)雜的任務(wù)，有望在醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實和可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大應(yīng)用。

同時，基于折痕放大效果的應(yīng)變傳感器也具有更廣泛的應(yīng)用，而不僅僅局限于具有折痕的皮膚。

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