全新多功能电子皮肤问世!可计步、测心率体温,舒适贴合人体,有望开启未来时尚新潮流
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。
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。
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。
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。
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。”
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。
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。
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。
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。
https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202
https://www.colorado.edu/today/2020/11/06/electronic-skin
https://advances.sciencemag.org/content/6/43/eabd0996