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        真正可穿戴的電子皮膚問世

        2020-01-25 11:20:48
        海外星云 2020年20期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        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(jià)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(huì)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(shí)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(jì)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(jià)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(gè)熱傳感器、一個(gè)三軸加速度計(jì)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(jì)附著在喉部時(shí),可以捕捉到聲帶的振動(dòng)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(shí)監(jiān)測體溫,身體活動(dòng)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(dòng)性,既不會(huì)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(shí),碎片可以接在界面上產(chǎn)生新的共價(jià)鍵。不同于非共價(jià)超分子鍵合作用,其使用的聚亞胺基質(zhì)由共價(jià)鍵組成,因此裝置更加堅(jiān)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(shí)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(shí),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(shí),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(bào)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(huì)產(chǎn)生新污染,還可節(jié)約成本。

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