“真正可穿戴”的電子皮膚問世

近日，華人學者開發(fā)出一種 “真正可穿戴” 的可穿戴電子設備，這是一種受人體皮膚啟發(fā)的、可粘在皮膚上的 “電子皮膚”，其內部主要由電路板構成。 DeepTech 聯系到負責該研究的科羅拉多大學博爾德分校的機械工程系副教授肖建亮和藝術與科學學院教授張偉，其表示相關成果以《“電子皮膚” 有望成為可穿戴設備的廉價且可回收的替代品》（ 'Electronic skin' promises cheap and recyclable alternative to wearable devices）為題，發(fā)表在 Science Advances 上。

圖 | 可在手腕上佩戴的電子皮膚 該 “電子皮膚” 具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重構性，它創(chuàng)可貼稍厚，加熱后就能貼到皮膚上。該團隊表示它還可以在任何方向上伸展 60％，并且不會破壞內部的電子設備。 據悉，為研究該設備，肖建亮和張偉耗時五年左右，為制造這款彈力產品，肖建亮和同事使用絲網印刷來創(chuàng)建液態(tài)金屬絲網絡。然后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。

該設備通過一種低成本制造方法，將剛性、柔性和液體材料均勻地集成一起，并結合材料、化學和力學方面的技術，使其具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重構性。這一可穿戴電子系統(tǒng)的性能可以在健康、醫(yī)療、科技等許多領域得到應用。

肖建亮告訴 DeepTech，他在柔性電子領域深耕多年，對可穿戴電子設備的洞察力和感知力敏銳且深入。有一次在食堂吃飯，他和張偉聊起柔性電子，兩人一拍即合，基于兩人多年的理論和實踐基礎，遂開始對可穿戴電子設備的研究。 肖建亮說他想做一款對人體更友好的可穿戴電子設備。因為常見的可穿戴電子皮膚設備如 Apple Watch、智能手環(huán)、智能眼鏡等，雖然有各自獨特的功能，但是多數存在價格昂貴、體驗感差、穿戴不舒服等各種各樣的問題。而他想做的是一款真正可穿戴的設備，理想情況下它將是一種能舒適地貼合人們身體的薄膜。 概括來說，該設備主要有五大特性。 一、優(yōu)良的傳感性能。多功能可穿戴電子產品集成了一個熱傳感器、一個三軸加速度計和心電圖傳感器。其中，熱傳感器可在不同環(huán)境和身體不同位置的提供準確體溫測量；三軸加速度計附著在喉部時，可以捕捉到聲帶的振動特性；心電圖傳感器監(jiān)測心臟的心電圖。 三者結合一起可精確地為人體提供實時監(jiān)測體溫，身體活動和健康狀態(tài)的功能。它可以檢測行走、奔跑、跳躍的不同幅度和頻率。

圖 | 高延展性、自療性和可回收性的多功能可穿戴電子產品的設計和示意圖

二、可延展性。彈性聚合物基材和高延展性導體，對可穿戴電子設備的延展性能來說必不可少。該團隊利用高延展性導體的可流動性，既不會增加可穿戴設備的硬度，還能為電子系統(tǒng)提供良好的變形能力。LM 電路沒有疲勞問題，封裝不影響機械性能，且沒有集中在導體剛性芯片組件之間的接口和軟底物。此外，LM 互連器在機械干擾下具有穩(wěn)健性和可靠性。

除去機械力后，聚酰亞胺封裝的 LM 導體在反復摩擦和擠壓下的電阻恢復到原始值。也就是說，該設備在不同程度的外力作用下，可展現出優(yōu)異的機械延展性、穩(wěn)健性和可靠性。比如對它進行不同程度的伸縮、扭曲、變形，其依舊可保持超強的延展性和穩(wěn)健性。 三、可自愈性。經過實驗顯示，聚酰亞胺矩陣的 LM 電路為多功能可穿戴電子產品提供了優(yōu)異的自愈能力。當設備損壞時，碎片可以接在界面上產生新的共價鍵。不同于非共價超分子鍵合作用，其使用的聚亞胺基質由共價鍵組成，因此裝置更加堅固，并能在較大范圍的條件下操作。 設備中的自愈裝置能恢復機械和電氣功能，必要時可用于改善界面接觸和加速鍵交換反應，以實現更有效的界面愈合。簡而言之，它就像人類的皮膚一樣，具有自愈合功能。

圖 | 多功能可穿戴電子設備的自我修復和回收 四、可回收性。當設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 在內的電子元件能很容易地從溶液中分離出來，從而保證聚合物溶液和電子元件都可重新用于制造新設備。 相比傳統(tǒng)設備，這款新型可穿戴電子設備還具備可回收性?，F在電子設備越來越多，相應的電子垃圾也日益增多，如果不能很好地回收，后果難以想象。如此前媒體報道所述，很多地方并不知道如何處理電子垃圾，甚至沒有電子垃圾分類。 而該設備的可回收性能可很好解決電子垃圾問題。據了解，這款電子設備從研發(fā)開始就考慮到回收問題，回收后所有原料還可重新利用起來。這樣既不會產生新污染，還可節(jié)約成本。 五、可重構性。該團隊通過利用聚酰亞胺網絡在高溫下的有效應力松弛和 LM 電路的流體特性，讓設備可以重新配置，以適應不同應用場景。而且，該設備分別在腕部、腳踝和頸部的設置溫度監(jiān)測，從而顯示身體不同部位的溫度。

一般材料變形后會產生應力，但如果把外面施加的力去掉，材料就會變回原來狀態(tài)。而該設備的材料機理是，如果產生一個應力，內部分子層面會對應力進行重構，進而把應力釋放掉，釋放掉以后其變形后的狀態(tài)就可以保持住。 肖建亮告訴 DeepTech：“就像我們買衣服，每個人的尺寸不一樣，買衣服的尺碼就不一樣。盡管可穿戴電子設備本身是統(tǒng)一尺寸，但是它的可重構性使得用戶可以根據自己需要進行重構，比如讓它變形到你希望的尺寸或者形狀，這樣使用起來就會非常方便。”

產業(yè)化未來可期，對合作研究保持開放 據悉，基于該團隊研發(fā)的聚亞胺機體柔性機體，他們集成了液態(tài)金屬電路，從而形成多功能微小型電子器件，然后通過印刷途徑，把電路印刷到聚亞胺的薄膜上，進而把電子設備集成到電路里，最后通過低成本且快速高效的制造過程，實現多功能的平臺。 在此基礎上，對平臺上的功能進行深入拓展都沒有問題，比如電源、無線發(fā)送器或者接收器等裝置都可以集成進來。另一方面，這個材料機制本身也有進一步優(yōu)化的余地，結合肖建亮和張偉兩個課題組各自的特長，未來還有很多東西可以深入和拓展。 張偉表示：“我們的技術本身已經申請專利，關于產業(yè)化這方面，它確實需要很多市場調研，上游下游等很多東西都要摸清。但對于合作共同研發(fā)，我們都是非常開放的，我們也希望能將技術發(fā)揚光大，至于產業(yè)化的時間誰都不能確定，十年、五年或者兩三年都有可能?！?br />
談及未來發(fā)展方向，該團隊有一個大膽設想，把該設備跟智能手機結合起來，甚至直接在電子屏幕上集成一個 SIM 卡芯片，通過芯片技術將病患與醫(yī)院連接起來，從而實現實時監(jiān)測人體健康指標。 因為很多慢性疾病或其他疾病，光在醫(yī)院做檢查遠遠不夠，只有實現 24 小時的實時監(jiān)測，醫(yī)生才能精準掌握病情，此外該設備還能實時發(fā)現、并避免一些危險狀況。 研究團隊表示，在未來 10 年甚至更長時間里，可穿戴電子設備還可在電子地圖、可存在系統(tǒng)中發(fā)揮重要潛能。 據悉，肖建亮在加入科羅拉多大學博爾德分校之前，是伊利諾伊大學香檳分校材料科學與工程系 John Rogers 教授小組的博士后研究助理。在中國科學院外籍院士、固體力學家黃永剛的指導下，其于 2001 年獲得西北大學機械工程學博士學位。 2003 年和 2006 年，他在清華大學先后獲得學士學位和碩士學位，其研究興趣主要包括可拉伸 / 柔性電子、納米材料、軟材料和薄膜等。2015 年 6 月，他曾回國訪問大連理工大學并進行講座。而肖建亮和張偉則相識于伊利諾伊大學香檳分校，在此之前，兩人分別畢業(yè)于中國 Top2 高校。

2000 年，張偉在北大獲得化學學士學位；后來到美國求學，2005 年在伊利諾伊大學香檳分校獲得化學博士學位，導師為美國國家科學院院士 Prof. Jeffrey Moore；隨后在 MIT 進行博士后研究，合作導師為美國國家科學院院士 Prof. Timothy Swager；2008 年，其入職科羅拉多大學博爾德分校，并于 2018 年晉升為教授。他的研究興趣集中于利用動態(tài)共價化學構建新型有機或雜化功能材料。近年來，他曾多次回國訪問華南理工大學、江南大學和大連理工大學，并作出專題報告。 據悉，這已經不是兩人第一次合作，早在兩年前兩人就曾經有過合作。因此，在本次采訪中，兩人同時接受了 DeepTech 的采訪。這兩位畢業(yè)于北大和清華的老友，以這種方式繼續(xù)在海外保持著清北校友的聯結和合作。

原文標題：“真正可穿戴”的電子皮膚問世，可在任意方向伸展60%，已申請技術專利

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責任編輯：haq