可穿戴設備,已經成為我們生活中極為常見的一種設備,它們體積輕巧、佩戴方便、檢測數據齊全,但也存在一個很明顯的缺點——無法適應運動狀態的數據實時監測。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、肌電等人體健康數據,被認為是可穿戴設備的終極形態。
近日,來自南方科技大學、首都醫科大學和中國科學院大學的聯合研究團隊在電子紋身這一研究方向實現了新突破。他們開發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,且在皮膚表面經反復變形后也不會脫落。
(來源:Science Advances)
相關研究論文以 “Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect” 為題,于近日在線發表在科學期刊 Science Advances 上。
研究人員表示,這一新型電子皮膚有望在醫療系統、虛擬現實和可穿戴機器人領域實現廣泛應用。
突破厚度極限,變形遠超人類皮膚
事實上,可穿戴設備的研究與應用已有多年,大多數現已報道的可穿戴設備都基于硅膠基底設計,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,設備就會脫落。
如今,心率監測腕表可能已經是人們生活中常見的設備,人們希望用它來監測自己的實時心率等數據,但恰恰是在運動時,由于腕表與皮膚的貼合度不夠高,檢測出來的數據精度往往無法保證。
而作為一種能夠實現可穿戴設備與皮膚之間穩固粘合的“終極形態”,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、設計方法等,來探索設計性能更優越的電子紋身。早在 2018 年,美國卡耐基梅隆大學的研究人員就采用現成的打印機,開發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轉移紋身的方式,存在電路設計簡單、功能單一、厚度較大等缺點,無法同時滿足可穿戴設備的附著性、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,設計了一個包含 1 個加熱器和 15 個應變傳感器的三層 METT 結構電路。該結構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)轉移到皮膚上的 METT 的光學圖像;插入時,可以將 METT 嵌入手指關節的折痕中;(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)具有優良的導電性和拉伸性,研究人員在電路設計中采用基于 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,該設計突破了液態金屬基電子紋身的厚度極限,使 METT 同時兼具多層電路設計和保形性的優點,電路可以集成任意數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,這是其他技術無法實現的。
此外,研究人員還測試了 METT 結構中基于 MPC 的應變傳感器的機電性能。結果表明,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,這已經遠遠超過了皮膚的最大變形。
圖 | METT 可以實現折痕放大效果,具有保形性和粘性(來源:Science Advances)
實驗結果表明,該結構所使用的傳感器在經過 1000 次拉伸后,也表現出了出色的可重復性,同時這種多層電路電子紋身能夠實現皮膚折痕放大效果。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,研究人員設計了三層電子紋身的橫截面,在紋身結構中嵌入了液態金屬顆粒,從而在每一層中形成導電網絡,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)機器人控制系統的系統級框圖;(D)METT 可以遠程控制機械手的部分動作。(來源:Science Advances)
測試結果顯示,通過藍牙將手指彎曲產生的放大信號傳輸到機械手,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 結構可以通過增加機器手的自由度,應用于機器人控制系統,來遠程執行微妙而復雜的任務,有望在醫療系統、虛擬現實和可穿戴機器人領域實現巨大應用。
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：有望用于醫療、VR和可穿戴機器人等領域
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