“真正可穿戴”的电子皮肤问世

近日，华人学者开发出一种 “真正可穿戴” 的可穿戴电子设备，这是一种受人体皮肤启发的、可粘在皮肤上的 “电子皮肤”，其内部主要由电路板构成。  DeepTech 联系到负责该研究的科罗拉多大学博尔德分校的机械工程系副教授肖建亮和艺术与科学学院教授张伟，其表示相关成果以《“电子皮肤” 有望成为可穿戴设备的廉价且可回收的替代品》（ 'Electronic skin' promises cheap and recyclable alternative to wearable devices）为题，发表在 Science Advances 上。  

图 | 可在手腕上佩戴的电子皮肤   该 “电子皮肤” 具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重构性，它创可贴稍厚，加热后就能贴到皮肤上。该团队表示它还可以在任何方向上伸展 60％，并且不会破坏内部的电子设备。  据悉，为研究该设备，肖建亮和张伟耗时五年左右，为制造这款弹力产品，肖建亮和同事使用丝网印刷来创建液态金属丝网络。然后将这些电路夹在两层薄膜之间，这两层薄膜是由一种称为聚亚胺的高度柔性和自愈材料制成的。  

  该设备通过一种低成本制造方法，将刚性、柔性和液体材料均匀地集成一起，并结合材料、化学和力学方面的技术，使其具有卓越的延展性、自愈合性、可回收性和可重构性。这一可穿戴电子系统的性能可以在健康、医疗、科技等许多领域得到应用。  

肖建亮告诉 DeepTech，他在柔性电子领域深耕多年，对可穿戴电子设备的洞察力和感知力敏锐且深入。有一次在食堂吃饭，他和张伟聊起柔性电子，两人一拍即合，基于两人多年的理论和实践基础，遂开始对可穿戴电子设备的研究。   肖建亮说他想做一款对人体更友好的可穿戴电子设备。因为常见的可穿戴电子皮肤设备如 Apple Watch、智能手环、智能眼镜等，虽然有各自独特的功能，但是多数存在价格昂贵、体验感差、穿戴不舒服等各种各样的问题。而他想做的是一款真正可穿戴的设备，理想情况下它将是一种能舒适地贴合人们身体的薄膜。  概括来说，该设备主要有五大特性。  一、优良的传感性能。多功能可穿戴电子产品集成了一个热传感器、一个三轴加速度计和心电图传感器。其中，热传感器可在不同环境和身体不同位置的提供准确体温测量；三轴加速度计附着在喉部时，可以捕捉到声带的振动特性；心电图传感器监测心脏的心电图。   三者结合一起可精确地为人体提供实时监测体温，身体活动和健康状态的功能。它可以检测行走、奔跑、跳跃的不同幅度和频率。  

图 | 高延展性、自疗性和可回收性的多功能可穿戴电子产品的设计和示意图  

       二、可延展性。弹性聚合物基材和高延展性导体，对可穿戴电子设备的延展性能来说必不可少。该团队利用高延展性导体的可流动性，既不会增加可穿戴设备的硬度，还能为电子系统提供良好的变形能力。LM 电路没有疲劳问题，封装不影响机械性能，且没有集中在导体刚性芯片组件之间的接口和软底物。此外，LM 互连器在机械干扰下具有稳健性和可靠性。

       除去机械力后，聚酰亚胺封装的 LM 导体在反复摩擦和挤压下的电阻恢复到原始值。也就是说，该设备在不同程度的外力作用下，可展现出优异的机械延展性、稳健性和可靠性。比如对它进行不同程度的伸缩、扭曲、变形，其依旧可保持超强的延展性和稳健性。  三、可自愈性。经过实验显示，聚酰亚胺矩阵的 LM 电路为多功能可穿戴电子产品提供了优异的自愈能力。当设备损坏时，碎片可以接在界面上产生新的共价键。不同于非共价超分子键合作用，其使用的聚亚胺基质由共价键组成，因此装置更加坚固，并能在较大范围的条件下操作。   设备中的自愈装置能恢复机械和电气功能，必要时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。简而言之，它就像人类的皮肤一样，具有自愈合功能。  

图 | 多功能可穿戴电子设备的自我修复和回收  四、可回收性。当设备严重损坏或不需要时，可通过浸泡在回收液中进行充分回收，当聚亚胺完全解聚时，包括芯片和 EGaIn LM 在内的电子元件能很容易地从溶液中分离出来，从而保证聚合物溶液和电子元件都可重新用于制造新设备。   相比传统设备，这款新型可穿戴电子设备还具备可回收性。现在电子设备越来越多，相应的电子垃圾也日益增多，如果不能很好地回收，后果难以想象。如此前媒体报道所述，很多地方并不知道如何处理电子垃圾，甚至没有电子垃圾分类。   而该设备的可回收性能可很好解决电子垃圾问题。据了解，这款电子设备从研发开始就考虑到回收问题，回收后所有原料还可重新利用起来。这样既不会产生新污染，还可节约成本。  五、可重构性。该团队通过利用聚酰亚胺网络在高温下的有效应力松弛和 LM 电路的流体特性，让设备可以重新配置，以适应不同应用场景。而且，该设备分别在腕部、脚踝和颈部的设置温度监测，从而显示身体不同部位的温度。  

  一般材料变形后会产生应力，但如果把外面施加的力去掉，材料就会变回原来状态。而该设备的材料机理是，如果产生一个应力，内部分子层面会对应力进行重构，进而把应力释放掉，释放掉以后其变形后的状态就可以保持住。   肖建亮告诉 DeepTech：“就像我们买衣服，每个人的尺寸不一样，买衣服的尺码就不一样。尽管可穿戴电子设备本身是统一尺寸，但是它的可重构性使得用户可以根据自己需要进行重构，比如让它变形到你希望的尺寸或者形状，这样使用起来就会非常方便。”  

       产业化未来可期，对合作研究保持开放   据悉，基于该团队研发的聚亚胺机体柔性机体，他们集成了液态金属电路，从而形成多功能微小型电子器件，然后通过印刷途径，把电路印刷到聚亚胺的薄膜上，进而把电子设备集成到电路里，最后通过低成本且快速高效的制造过程，实现多功能的平台。   在此基础上，对平台上的功能进行深入拓展都没有问题，比如电源、无线发送器或者接收器等装置都可以集成进来。另一方面，这个材料机制本身也有进一步优化的余地，结合肖建亮和张伟两个课题组各自的特长，未来还有很多东西可以深入和拓展。   张伟表示：“我们的技术本身已经申请专利，关于产业化这方面，它确实需要很多市场调研，上游下游等很多东西都要摸清。但对于合作共同研发，我们都是非常开放的，我们也希望能将技术发扬光大，至于产业化的时间谁都不能确定，十年、五年或者两三年都有可能。”

         谈及未来发展方向，该团队有一个大胆设想，把该设备跟智能手机结合起来，甚至直接在电子屏幕上集成一个 SIM 卡芯片，通过芯片技术将病患与医院连接起来，从而实现实时监测人体健康指标。  因为很多慢性疾病或其他疾病，光在医院做检查远远不够，只有实现 24 小时的实时监测，医生才能精准掌握病情，此外该设备还能实时发现、并避免一些危险状况。  研究团队表示，在未来 10 年甚至更长时间里，可穿戴电子设备还可在电子地图、可存在系统中发挥重要潜能。   据悉，肖建亮在加入科罗拉多大学博尔德分校之前，是伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程系 John Rogers 教授小组的博士后研究助理。在中国科学院外籍院士、固体力学家黄永刚的指导下，其于 2001 年获得西北大学机械工程学博士学位。   2003 年和 2006 年，他在清华大学先后获得学士学位和硕士学位，其研究兴趣主要包括可拉伸 / 柔性电子、纳米材料、软材料和薄膜等。2015 年 6 月，他曾回国访问大连理工大学并进行讲座。而肖建亮和张伟则相识于伊利诺伊大学香槟分校，在此之前，两人分别毕业于中国 Top2 高校。  

       2000 年，张伟在北大获得化学学士学位；后来到美国求学，2005 年在伊利诺伊大学香槟分校获得化学博士学位，导师为美国国家科学院院士 Prof. Jeffrey Moore；随后在 MIT 进行博士后研究，合作导师为美国国家科学院院士 Prof. Timothy Swager；2008 年，其入职科罗拉多大学博尔德分校，并于 2018 年晋升为教授。他的研究兴趣集中于利用动态共价化学构建新型有机或杂化功能材料。近年来，他曾多次回国访问华南理工大学、江南大学和大连理工大学，并作出专题报告。   据悉，这已经不是两人第一次合作，早在两年前两人就曾经有过合作。因此，在本次采访中，两人同时接受了 DeepTech 的采访。这两位毕业于北大和清华的老友，以这种方式继续在海外保持着清北校友的联结和合作。 

原文标题：“真正可穿戴”的电子皮肤问世，可在任意方向伸展60%，已申请技术专利

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