真正可穿戴的電子皮膚問世

近日，華人學(xué)者開發(fā)出一種“真正可穿戴”的可穿戴電子設(shè)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(nèi)部主要由電路板構(gòu)成。

負(fù)責(zé)該研究的科羅拉多大學(xué)博爾德分校的機(jī)械工程系副教授肖建亮和藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院教授張偉，其表示相關(guān)成果以《“電子皮膚”有望成為可穿戴設(shè)備的廉價且可回收的替代品》為題，已公開發(fā)表。

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(gòu)性，它比創(chuàng)可貼稍厚，加熱后就能貼到皮膚上。該團(tuán)隊(duì)表示它還可以在任何方向上伸展60%，并且不會破壞內(nèi)部的電子設(shè)備。

新型可穿戴電子設(shè)備研究者肖建亮（左）和張偉（右）

據(jù)悉，為研究該設(shè)備，肖建亮和張偉耗時五年左右，為制造這款彈力產(chǎn)品，肖建亮和同事使用絲網(wǎng)印刷來創(chuàng)建液態(tài)金屬絲網(wǎng)絡(luò)。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(shè)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(jié)合材料、化學(xué)和力學(xué)方面的技術(shù)，使其具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重構(gòu)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(lǐng)域得到應(yīng)用。

緣起于食堂的一場研究

肖建亮表示，他在柔性電子領(lǐng)域深耕多年，對可穿戴電子設(shè)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(shí)踐基礎(chǔ)，遂開始對可穿戴電子設(shè)備的研究。

高延展性、自療性和可回收性的多功能可穿戴電子產(chǎn)品的設(shè)計和示意圖

肖建亮說他想做一款對人體更友好的可穿戴電子設(shè)備。因?yàn)槌Ｒ姷目纱┐麟娮悠つw設(shè)備如Apple Watch、智能手環(huán)、智能眼鏡等，雖然有各自獨(dú)特的功能，但是多數(shù)存在價格昂貴、體驗(yàn)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(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。

概括來說，該設(shè)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(chǎn)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(zhǔn)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(jié)合一起可精確地為人體提供實(shí)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。

二、可延展性。彈性聚合物基材和高延展性導(dǎo)體，對可穿戴電子設(shè)備的延展性能來說必不可少。該團(tuán)隊(duì)利用高延展性導(dǎo)體的可流動性，既不會增加可穿戴設(shè)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(jī)械性能，且沒有集中在導(dǎo)體剛性芯片組件之間的接口和軟底物。此外，LM互連器在機(jī)械干擾下具有穩(wěn)健性和可靠性。

除去機(jī)械力后，聚酰亞胺封裝的LM導(dǎo)體在反復(fù)摩擦和擠壓下的電阻恢復(fù)到原始值。也就是說，該設(shè)備在不同程度的外力作用下，可展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械延展性、穩(wěn)健性和可靠性。比如對它進(jìn)行不同程度的伸縮、扭曲、變形，其依舊可保持超強(qiáng)的延展性和穩(wěn)健性。

多功能可穿戴電子設(shè)備的自我修復(fù)和回收

三、可自愈性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)顯示，聚酰亞胺矩陣的LM電路為多功能可穿戴電子產(chǎn)品提供了優(yōu)異的自愈能力。當(dāng)設(shè)備損壞時，碎片可以接在界面上產(chǎn)生新的共價鍵。不同于非共價超分子鍵合作用，其使用的聚亞胺基質(zhì)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(shè)備中的自愈裝置能恢復(fù)機(jī)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(yīng)，以實(shí)現(xiàn)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。

四、可回收性。當(dāng)設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或不需要時，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，包括芯片和EGaIn Lm在內(nèi)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(shè)備。

相比傳統(tǒng)設(shè)備，這款新型可穿戴電子設(shè)備還具備可回收性?，F(xiàn)在電子設(shè)備越來越多，相應(yīng)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(shè)備的可回收性能可很好解決電子垃圾問題。據(jù)了解，這款電子設(shè)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(chǎn)生新污染，還可節(jié)約成本。