真正可穿戴的電子皮膚問世

近日，華人學者開發(fā)出一種“真正可穿戴”的可穿戴電子設備，這是一種受人體皮膚啟發(fā)的、可粘在皮膚上的“電子皮膚”，其內部主要由電路板構成。

負責該研究的科羅拉多大學博爾德分校的機械工程系副教授肖建亮和藝術與科學學院教授張偉，其表示相關成果以《“電子皮膚”有望成為可穿戴設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、可回收性和可重構性，它比創(chuàng)可貼稍厚，加熱后就能貼到皮膚上。該團隊表示它還可以在任何方向上伸展60%，并且不會破壞內部的電子設備。

新型可穿戴電子設備研究者肖建亮（左）和張偉（右）

據(jù)悉，為研究該設備，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。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，并結合材料、化學和力學方面的技術，使其具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重構性。這一可穿戴電子系統(tǒng)的性能可以在健康、醫(yī)療、科技等許多領域得到應用。

緣起于食堂的一場研究

肖建亮表示，他在柔性電子領域深耕多年，對可穿戴電子設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，遂開始對可穿戴電子設備的研究。

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備。因為常見的可穿戴電子皮膚設備如Apple Watch、智能手環(huán)、智能眼鏡等，雖然有各自獨特的功能，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體，對可穿戴電子設備的延展性能來說必不可少。該團隊利用高延展性導體的可流動性，既不會增加可穿戴設備的硬度，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，封裝不影響機械性能，且沒有集中在導體剛性芯片組件之間的接口和軟底物。此外，LM互連器在機械干擾下具有穩(wěn)健性和可靠性。

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

多功能可穿戴電子設備的自我修復和回收

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。當設備損壞時，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。

設備中的自愈裝置能恢復機械和電氣功能，必要時可用于改善界面接觸和加速鍵交換反應，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。當設備嚴重損壞或不需要時，可通過浸泡在回收液中進行充分回收，當聚亞胺完全解聚時，包括芯片和EGaIn Lm在內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備。

相比傳統(tǒng)設備，這款新型可穿戴電子設備還具備可回收性。現(xiàn)在電子設備越來越多，相應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。