可穿戴設(shè)備,已經(jīng)成為我們生活中極為常見(jiàn)的一種設(shè)備,它們體積輕巧、佩戴方便、檢測(cè)數(shù)據(jù)齊全,但也存在一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)——無(wú)法適應(yīng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為解決這一問(wèn)題,科學(xué)家們近年來(lái)一直在不斷探索新的解決方案,電子紋身應(yīng)運(yùn)而生。
“電子紋身” 是一張可以直接貼在人體表面的超薄電路,與普通紋身不同,電子紋身無(wú)需外創(chuàng)即可緊緊貼在皮膚上,隨皮膚可隨意拉伸、彎曲,可用于檢測(cè)心電、肌電等人體健康數(shù)據(jù),被認(rèn)為是可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)。
近日,來(lái)自南方科技大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在電子紋身這一研究方向?qū)崿F(xiàn)了新突破。他們開(kāi)發(fā)出一種集成多層電路的電子紋身(multilayered electronic transfer tattoo,METT)。
這種電子紋身兼具高延展性(8 倍)、保形性和粘性等優(yōu)點(diǎn),可以嵌入手指皺褶和指紋等一些皮膚上細(xì)小的特征中,能夠牢固地附著在皮膚上,且在皮膚表面經(jīng)反復(fù)變形后也不會(huì)脫落。
(來(lái)源:Science Advances)
相關(guān)研究論文以 “Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect” 為題,于近日在線發(fā)表在科學(xué)期刊 Science Advances 上。
研究人員表示,這一新型電子皮膚有望在醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。
突破厚度極限,變形遠(yuǎn)超人類(lèi)皮膚
事實(shí)上,可穿戴設(shè)備的研究與應(yīng)用已有多年,大多數(shù)現(xiàn)已報(bào)道的可穿戴設(shè)備都基于硅膠基底設(shè)計(jì),雖然這種基底具有良好的柔性和可拉伸性,且不會(huì)對(duì)人體組織造成損傷,但無(wú)法牢固地附著在人體皮膚上,當(dāng)與人體粘合部位的皮膚變形時(shí),設(shè)備就會(huì)脫落。
如今,心率監(jiān)測(cè)腕表可能已經(jīng)是人們生活中常見(jiàn)的設(shè)備,人們希望用它來(lái)監(jiān)測(cè)自己的實(shí)時(shí)心率等數(shù)據(jù),但恰恰是在運(yùn)動(dòng)時(shí),由于腕表與皮膚的貼合度不夠高,檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)精度往往無(wú)法保證。
而作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴設(shè)備與皮膚之間穩(wěn)固粘合的“終極形態(tài)”,電子紋身有望解決這一問(wèn)題。
近年來(lái),科學(xué)家們不斷通過(guò)使用不同的材料、設(shè)計(jì)方法等,來(lái)探索設(shè)計(jì)性能更優(yōu)越的電子紋身。早在 2018 年,美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的研究人員就采用現(xiàn)成的打印機(jī),開(kāi)發(fā)出了一種具有高魯棒性和柔性的電子紋身,并表示有望將其應(yīng)用于可穿戴計(jì)算、柔性顯示器、軟體機(jī)器人等領(lǐng)域。但是,目前的電子紋身通常是采取直接將電子電路印在皮膚上或商業(yè)轉(zhuǎn)移紋身的方式,存在電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功能單一、厚度較大等缺點(diǎn),無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備的附著性、褶皺保形性和多層性等需求。
為克服這些不兼容性,研究人員在此次研究中基于分層策略,設(shè)計(jì)了一個(gè)包含 1 個(gè)加熱器和 15 個(gè)應(yīng)變傳感器的三層 METT 結(jié)構(gòu)電路。該結(jié)構(gòu)可以嵌入到手指折痕和皮膚上的指紋等細(xì)小特征中,以便在附著部位反復(fù)變形時(shí),也可以牢固的附著在上面。
圖 | 三層 METT 的示意圖和光學(xué)圖像。(A)包含三個(gè)電路層的 METT 的分解示意圖;(B)METT 的逐層制造的示意圖;(C)轉(zhuǎn)移到皮膚上的 METT 的光學(xué)圖像;插入時(shí),可以將 METT 嵌入手指關(guān)節(jié)的折痕中;(D)METT 的光學(xué)圖像,用于遠(yuǎn)程控制機(jī)械手。(來(lái)源:Science Advances)
據(jù)論文描述,METT 包含三個(gè)部分,粘合劑層,離型層以及兩者之間的電路模塊。其中,粘合劑層采用了醫(yī)用膠帶上使用的丙烯酸壓敏膠,無(wú)毒且粘合力度強(qiáng);考慮到金屬聚合物導(dǎo)體(MPC)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和拉伸性,研究人員在電路設(shè)計(jì)中采用基于 MPC 的應(yīng)變傳感器,來(lái)制作 METT 中的電路模塊。實(shí)驗(yàn)證明,該電子紋身在外力影響下,仍可牢固地粘貼在不同的表面上。
對(duì)此,研究人員表示,該設(shè)計(jì)突破了液態(tài)金屬基電子紋身的厚度極限,使 METT 同時(shí)兼具多層電路設(shè)計(jì)和保形性的優(yōu)點(diǎn),電路可以集成任意數(shù)量的應(yīng)變傳感器或其他功能元件,同時(shí)可以保留褶皺放大效應(yīng),這是其他技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
此外,研究人員還測(cè)試了 METT 結(jié)構(gòu)中基于 MPC 的應(yīng)變傳感器的機(jī)電性能。結(jié)果表明,隨著皮膚局部拉伸變形的增加,METT 所使用應(yīng)變傳感器的電阻也隨之增加,并且可以很容易地被拉伸到 8 倍的變形程度,這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了皮膚的最大變形。
圖 | METT 可以實(shí)現(xiàn)折痕放大效果,具有保形性和粘性(來(lái)源:Science Advances)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)所使用的傳感器在經(jīng)過(guò) 1000 次拉伸后,也表現(xiàn)出了出色的可重復(fù)性,同時(shí)這種多層電路電子紋身能夠?qū)崿F(xiàn)皮膚折痕放大效果。當(dāng)變形集中在皮膚的皺紋上,會(huì)使得電子紋身上應(yīng)變傳感器的輸出信號(hào)放大到 3 倍,且由折痕放大引起的局部變形不會(huì)影響應(yīng)變傳感器的性能。
遠(yuǎn)程控制機(jī)械手,應(yīng)用前景廣泛
在應(yīng)用層面,研究人員設(shè)計(jì)了三層電子紋身的橫截面,在紋身結(jié)構(gòu)中嵌入了液態(tài)金屬顆粒,從而在每一層中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),使用三層 METT ,通過(guò)位于皮膚上的傳感器來(lái)測(cè)量手部的運(yùn)動(dòng),可以測(cè)量 15 個(gè)手勢(shì)的自由度。
圖 | METT 可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手(A)將電子紋身轉(zhuǎn)移到手上的照片;(B)METT 分別粘貼在皮膚上(左)和處置手套上(右),紅色虛線框?yàn)橥獠拷佑|墊;(C)機(jī)器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)框圖;(D)METT 可以遠(yuǎn)程控制機(jī)械手的部分動(dòng)作。(來(lái)源:Science Advances)
測(cè)試結(jié)果顯示,通過(guò)藍(lán)牙將手指彎曲產(chǎn)生的放大信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)械手,兩層 METT 可以實(shí)時(shí)控制 6 個(gè)自由度的機(jī)械手。
研究人員表示,METT 結(jié)構(gòu)可以通過(guò)增加機(jī)器手的自由度,應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng),來(lái)遠(yuǎn)程執(zhí)行微妙而復(fù)雜的任務(wù),有望在醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大應(yīng)用。
同時(shí),基于折痕放大效果的應(yīng)變傳感器也具有更廣泛的應(yīng)用,而不僅僅局限于具有折痕的皮膚。
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本文標(biāo)題：新型電子紋身：有望用于醫(yī)療、VR和可穿戴機(jī)器人等領(lǐng)域
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