可穿戴設(shè)備,已經(jīng)成為我們生活中極為常見的一種設(shè)備,它們體積輕巧、佩戴方便、檢測數(shù)據(jù)齊全,但也存在一個很明顯的缺點——無法適應運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測。為解決這一問題,科學家們近年來一直在不斷探索新的解決方案,電子紋身應運而生。

　　“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,可用于檢測心電、肌電等人體健康數(shù)據(jù),被認為是可穿戴設(shè)備的終極形態(tài)。

　　近日,來自南方科技大學、首都醫(yī)科大學和中國科學院大學的聯(lián)合研究團隊在電子紋身這一研究方向?qū)崿F(xiàn)了新突破。他們開發(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,可以嵌入手指皺褶和指紋等一些皮膚上細小的特征中,能夠牢固地附著在皮膚上,且在皮膚表面經(jīng)反復變形后也不會脫落。

　　(來源: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)實和可穿戴機器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用。

　　突破厚度極限,變形遠超人類皮膚

　　事實上,可穿戴設(shè)備的研究與應用已有多年,大多數(shù)現(xiàn)已報道的可穿戴設(shè)備都基于硅膠基底設(shè)計,雖然這種基底具有良好的柔性和可拉伸性,且不會對人體組織造成損傷,但無法牢固地附著在人體皮膚上,當與人體粘合部位的皮膚變形時,設(shè)備就會脫落。

　　如今,心率監(jiān)測腕表可能已經(jīng)是人們生活中常見的設(shè)備,人們希望用它來監(jiān)測自己的實時心率等數(shù)據(jù),但恰恰是在運動時,由于腕表與皮膚的貼合度不夠高,檢測出來的數(shù)據(jù)精度往往無法保證。

　　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題。

　　近年來,科學家們不斷通過使用不同的材料、設(shè)計方法等,來探索設(shè)計性能更優(yōu)越的電子紋身。早在 2018 年,美國卡耐基梅隆大學的研究人員就采用現(xiàn)成的打印機,開發(fā)出了一種具有高魯棒性和柔性的電子紋身,并表示有望將其應用于可穿戴計算、柔性顯示器、軟體機器人等領(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)計簡單、功能單一、厚度較大等缺點,無法同時滿足可穿戴設(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)計了一個包含 1 個加熱器和 15 個應變傳感器的三層 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小特征中,以便在附著部位反復變形時,也可以牢固的附著在上面。

　　圖 | 三層 METT 的示意圖和光學圖像。(A)包含三個電路層的 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 的光學圖像;插入時,可以將 METT 嵌入手指關(guān)節(jié)的折痕中;(D)METT 的光學圖像,用于遠程控制機械手。(來源:Science Advances)

　　據(jù)論文描述,METT 包含三個部分,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,無毒且粘合力度強;考慮到金屬聚合物導體(MPC)具有優(yōu)良的導電性和拉伸性,研究人員在電路設(shè)計中采用基于 MPC 的應變傳感器,來制作 METT 中的電路模塊。實驗證明,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。

　　對此,研究人員表示,該設(shè)計突破了液態(tài)金屬基電子紋身的厚度極限,使 METT 同時兼具多層電路設(shè)計和保形性的優(yōu)點,電路可以集成任意數(shù)量的應變傳感器或其他功能元件,同時可以保留褶皺放大效應,這是其他技術(shù)無法實現(xiàn)的。

　　此外,研究人員還測試了 METT 結(jié)構(gòu)中基于 MPC 的應變傳感器的機電性能。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)遠遠超過了皮膚的最大變形。

　　圖 | METT 可以實現(xiàn)折痕放大效果,具有保形性和粘性(來源:Science Advances)

　　實驗結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)所使用的傳感器在經(jīng)過 1000 次拉伸后,也表現(xiàn)出了出色的可重復性,同時這種多層電路電子紋身能夠?qū)崿F(xiàn)皮膚折痕放大效果。當變形集中在皮膚的皺紋上,會使得電子紋身上應變傳感器的輸出信號放大到 3 倍,且由折痕放大引起的局部變形不會影響應變傳感器的性能。

　　遠程控制機械手,應用前景廣泛

　　在應用層面,研究人員設(shè)計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電網(wǎng)絡,使用三層 METT ,通過位于皮膚上的傳感器來測量手部的運動,可以測量 15 個手勢的自由度。

　　圖 | METT 可以遠程控制機械手(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),紅色虛線框為外部接觸墊;(C)機器人控制系統(tǒng)的系統(tǒng)級框圖;(D)METT 可以遠程控制機械手的部分動作。(來源:Science Advances)

　　測試結(jié)果顯示,通過藍牙將手指彎曲產(chǎn)生的放大信號傳輸?shù)綑C械手,兩層 METT 可以實時控制 6 個自由度的機械手。

　　研究人員表示,METT 結(jié)構(gòu)可以通過增加機器手的自由度,應用于機器人控制系統(tǒng),來遠程執(zhí)行微妙而復雜的任務,有望在醫(yī)療系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實和可穿戴機器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)巨大應用。

　　同時,基于折痕放大效果的應變傳感器也具有更廣泛的應用,而不僅僅局限于具有折痕的皮膚。

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本文標題：新型電子紋身：有望用于醫(yī)療、VR和可穿戴機器人等領(lǐng)域

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