近日,来自科罗拉多大学博尔德分校的研究人员开发了一种“真正可穿戴”的电子设备。这种可穿戴设备可以自我修复,就像真正的皮肤一样。它还可以执行一系列感官任务,例如测量用户的体温或追踪人们的日常步数。
更重要的是,这款可穿戴设备可以被塑造成适合人们身体任何部位的形状。
这一受人体皮肤启发并粘附在人体皮肤上的可拉伸、可完全回收的电路板“电子皮肤”研究,于 11 月 6 日发表在 Science Advances 杂志上。
论文作者之一、科罗拉多大学博尔德分校的 Jianliang Xiao 表示:“如果人们想像手表一样佩戴它,可以戴在手腕上,如果人们想像项链一样戴它,可以戴在脖子上。”
研究人员还表示,他们希望这一创造将有助于重新扩展可穿戴设备的功能,这样的高科技皮肤不仅可以使人们收集有关他们身体的准确数据,而且还能够减少世界上日益增加的电子垃圾数量。
新型多功能电子皮肤
长期以来,那些轻薄而舒适可穿戴设备一直是科幻小说的主要内容。比如《终结者》电影系列中的阿诺·施瓦辛格脸上的皮肤剥落。
研究人员表示:“智能手表的功能很好,但它们始终是一大块金属带。如果我们想要一个真正可穿戴的设备,理想情况下它将是一种能舒适地贴合人们身体的薄膜。”
可以说,电子皮肤的研发目标,既是机器人又是人类。研究人员此前曾在 2018 年描述过他们针对电子皮肤的设计,而他们最新版的电子皮肤技术,在概念上进行了很多改进,不仅更有弹性,功能也更加强大。
图 | 人在手腕上佩戴“电子皮肤”设备
具体而言,多功能可穿戴电子设备包括三个传感模块:由运算放大器和电阻实现的心电传感器,用于体温传感的温度计传感器,以及用于声音和运动传感的加速度计。
从更深的角度来看,该设备由 EGaIn LM合金,以及封装在两个薄弹性聚亚胺膜(polyimine membranes)之间的商业小尺寸芯片部件组成。
LM 作为芯片之间的电互连,每个芯片的引脚精确地安装在图案化的LM接触焊盘上,类似于印刷电路板,但不需要焊接。
图 | 新型可穿戴设备组成示意图
此外,当设备严重损坏或不需要时,可通过浸泡在回收液中进行充分回收,当聚亚胺完全解聚时,包括芯片和 EGaIn LM 在内的电子元件可以很容易地从溶液中分离出来,聚合物溶液和电子元件都可以重新用于制造新设备。
薄且不失延展性的秘密
这款多功能可穿戴电子设备中的 LM 电路,提供了优异的导电性、优异的内在机械柔软性和变形性,因此该设备可以在贴在人体皮肤上时弄皱、弯曲、扭曲和拉伸。
图 | 新型电子皮肤可以被塑造成各种形状
同时为了制造他们的弹力产品,研究团队使用丝网印刷来创建一个液态金属丝网络,然后,他们将这些电路夹在两层薄膜之间——这两层薄膜是由一种称为聚亚胺的高度柔性和自愈材料制成的。
由于聚亚胺的特殊性能,所提该多功能可穿戴电子设备是可自我修复并且可以完全可回收的。
当设备损坏时,碎片可以接在界面上产生新的共价键。不同于那些非共价超分子键合作用,此处使用的聚亚胺基质由共价键组成,因此使装置更加坚固,并且可以在较大范围的条件下操作。
自愈装置则能够保障恢复机械和电气功能。必要时压力可用于改善界面接触和加速键交换反应,以实现更有效的界面愈合。
由该装置产生的薄膜比创可贴稍厚,可以加热皮肤,该团队报告说,它还可以在任何方向上伸展 60%,而不会破坏内部的电子设备。研究人员说:“它真的很有弹性,这使得许多以前无法选择的可能性成为可能。”
图 | 新的“电子皮肤”设备可以在任何方向上拉伸60%,而不会失去任何功能。
研究人员表示,该电子皮肤可以做很多与Fitbits等流行的可穿戴健身设备相同的事情:可靠地测量身体的临时状态、心律、运动模式等。
研究人员表示,如果一块电子皮肤被做成了切片,人们要做的就是将破裂的区域捏在一起。因为在几分钟之内,聚亚胺材料将开始重整,在 13 分钟内,损害将几乎无法检测到,这类似于皮肤愈合。
实际上,该成果还代表了一种制造电子产品的新方法——一种可能对地球更友好的方法。
据估计,到 2021 年人类将生产超过 5500 万吨的废弃智能手机、笔记本电脑和其他电子产品。该团队所制造的可伸缩设备,有望“消灭”垃圾填埋场。
如果把其中一个贴片浸泡在回收溶液中,聚亚胺会解聚或分离成其组成分子,而电子组件会沉到底部。电子器件和弹性材料都可以重复使用。
图 | 新型电子皮肤可回收利用示意图
研究人员表示:“我们对电子垃圾的解决方案是从制造设备的方式开始的,而不是从终点开始,或者从何时开始丢弃。我们需要的是一种易于回收的设备。”
不过,研究人员也表示,电子皮肤距离真正应用还有很长的路要走。目前,这些设备仍需要连接到外部电源才能工作。但是,研究人员相信,人造电子皮肤很快就会成为未来的时尚潮流。
更多应用的实现
上个月,华中科技大学也以第一研究单位在 Science Advances 上发表了相关论文,阐述了其电子皮肤的最新进展。
研究人员首先建立了电极-皮肤的分布参数电学模型,在该模型基础上进一步推导了信号补偿理论,并且通过相关实验证明该理论能够很好地消除表皮连接线所采集的生理电势信号的干扰。
同时,研究人员采用理论计算和仿真的方法保证了电子纹身不发生轴向拉伸和面内弯曲。这种设计仅仅让皮肤感受不到电子器件的力学约束,更能让体内汗液和热量顺畅地排出。
此外,得益于突破“电路信号补偿-大面积制造-近零应变转印”等瓶颈,研究人员展示了大面积电子纹身在未来数字健康、高精度人机交互等领域的成功应用。
图 | 大面积电子纹身的应用实例——手语识别、假肢控制、颈部肌电云图
英文字母手语识别、单词字母连续识别和实时假肢控制等技术为残障人士进行高性能人机自然交互提供可能,颈部肌电云图采集有助于语音康复、吞咽功能评估、颈椎病监测等,多通道的心电监测可以反映心脏不同部位的状况,实现对心律不整、心悸等多种心脏疾病的监测。
这些应用也使得人们看到越来越多电子皮肤应用的可能性,相信在不久的将来,电子皮肤一定能帮助人们完成更多看起来不可能的任务。
