『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。因為常見的可穿戴電子皮膚設(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。

三、可自愈性。經(jīng)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(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。

五、可重構(gòu)性。該團(tuán)隊通過利用聚酰亞胺網(wǎng)絡(luò)在高溫下的有效應(yīng)力松弛和Lm電路的流體特性，讓設(shè)備可以重新配置，以適應(yīng)不同應(yīng)用場景。而且，該設(shè)備分別在腕部、腳踝和頸部的設(shè)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(chǎn)生應(yīng)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(shè)備的材料機(jī)理是，如果產(chǎn)生一個應(yīng)力，內(nèi)部分子層面會對應(yīng)力進(jìn)行重構(gòu)，進(jìn)而把應(yīng)力釋放掉，釋放掉以后其變形后的狀態(tài)就可以保持住。

肖建亮說：“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(shè)備本身是統(tǒng)一尺寸，但是它的可重構(gòu)性使得用戶可以根據(jù)自己需要進(jìn)行重構(gòu)，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(chǎn)業(yè)化未來可期，對合作研究保持開放

據(jù)悉，基于該團(tuán)隊研發(fā)的聚亞胺機(jī)體柔性機(jī)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(jìn)而把電子設(shè)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(xiàn)多功能的平臺。

在此基礎(chǔ)上，對平臺上的功能進(jìn)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(jìn)來。另一方面，這個材料機(jī)制本身也有進(jìn)一步優(yōu)化的余地，結(jié)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(shù)本身已經(jīng)申請專利，關(guān)于產(chǎn)業(yè)化這方面，它確實需要很多市場調(diào)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(shù)發(fā)揚(yáng)光大，至于產(chǎn)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?！?/p>

談及未來發(fā)展方向，該團(tuán)隊有一個大膽設(shè)想，把該設(shè)備跟智能手機(jī)結(jié)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(shù)將病患與醫(yī)院連接起來，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測人體健康指標(biāo)。

因為很多慢性疾病或其他疾病，光在醫(yī)院做檢查遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只有實現(xiàn)24小時的實時監(jiān)測，醫(yī)生才能精準(zhǔn)掌握病情，此外該設(shè)備還能實時發(fā)現(xiàn)、并避免一些危險狀況。

研究團(tuán)隊表示，在未來10年甚至更長時間里，可穿戴電子設(shè)備還可在電子地圖、可存在系統(tǒng)中發(fā)揮重要潛能。

據(jù)悉，肖建亮在加入科羅拉多大學(xué)博爾德分校之前，是伊利諾伊大學(xué)香檳分校材料科學(xué)與工程系John Rogers教授小組的博士后研究助理。在中國科學(xué)院外籍院士、固體力學(xué)家黃永剛的指導(dǎo)下，其于2001年獲得西北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)博士學(xué)位。

2003年和2006年，他在清華大學(xué)先后獲得學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)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(xué)并進(jìn)行講座。而肖建亮和張偉則相識于伊利諾伊大學(xué)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(xué)學(xué)士學(xué)位；后來到美國求學(xué)，2005年在伊利諾伊大學(xué)香檳分校獲得化學(xué)博士學(xué)位，導(dǎo)師為美國國家科學(xué)院院士Prof. Jeffrey Moore；隨后在MIT進(jìn)行博士后研究，合作導(dǎo)師為美國國家科學(xué)院院士Prof. Timothy Swager；2008年，其入職科羅拉多大學(xué)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(xué)構(gòu)建新型有機(jī)或雜化功能材料。近年來，他曾多次回國訪問華南理工大學(xué)、江南大學(xué)和大連理工大學(xué)，并作出專題報告。