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柔性电子皮肤:离真正的皮肤还有多远?

发布时间:2019-09-04 访问次数:730次 来源:纺织导报 分享:

皮肤是人体最大的器官,在人类与外部环境的交互中起着重要作用。使用电子设备重建皮肤的特性在医疗、机器人、人造假肢、可穿戴设备等诸多领域,都有着很好的应用前景。



01健康监测领域


John A. Rogers等人实现了厚度、有效弹性模量、弯曲刚度和与表皮相匹配的电子系统类别。与传统的基于晶片的技术不同,将这些装置层压到皮肤上,能够完全保持装置形状并具有良好的应变性能。该系统包含电生理、温度和应变传感器,以及晶体管、发光二极管、光电探测器、射频电感器、电容器、振荡器和整流二极管等功能部件。使用这种技术可以成功测量心脏、大脑和骨骼肌产生的电活动。


具有与表皮相匹配的物理特性的多功能电子设备的演示平台


02生物医学领域


Dae-Hyeong Kim等人研发了多功能可穿戴皮肤系统。这种系统的代表性实例包括生理传感器、非易失性存储器和药物释放致动器。电子、机械、传热和药物扩散特性的定量分析验证了各个组件的运行,从而实现了系统级的多功能电子皮肤。


贴片可穿戴阵列


John A. Rogers等人报告了用于大脑植入的多功能类皮肤传感器,所有组成材料通过水解和/或代谢作用自然地吸收其中,无需提取。该系统能够持续监测颅内压和温度,对治疗创伤性脑损伤具有潜在应用。


小鼠配备完整的、可生物降解的无线颅内传感器系统


George G. Malliaras等人研发了超薄有机薄膜中的有机电化学晶体管组成的电子皮肤,该薄膜旨在记录大脑表面的电生理信号。利用该装置在体内对癫痫样放电进行测试,与表面电极相比,由于局部放大而显示出优异的信噪比,为医疗应用带来了巨大的希望。


置于躯体感觉皮层上的ECG探针的光学显微照片


03人造皮肤


王中林等人开发了一个高度可伸缩和舒适的矩阵网络,成功扩展了电子皮肤的感应功能,包括但不限于温度、面内应变、湿度、光、磁场、压力和接近度。该人造皮肤在人形机器人、新假肢、人机界面和健康监测技术方面具有广泛的应用。


高度可伸缩和舒适的矩阵网络


目前,电子皮肤的功能受限,主要是因为在电路和设备保持柔性的同时,只能实现相对简单的功能单元集成,进而只能实现基本的类皮肤功能。对于电子皮肤的进一步需求是实现真正的高级功能性电子皮肤,这依赖于由集成的晶体管组成的可拉伸电路。


鲍哲南等人展示了一种可拉伸的聚合物晶体管阵列,具有前所未有的设备密度,每平方厘米347个晶体管。这些晶体管具有与非晶硅相当的平均电荷载流子迁移率,当经受1000%的应变1000次循环时,仅略微变化(在一个数量级内),没有电流-电压滞后。此工艺为合并其他可拉伸的聚合物材料提供了一个通用平台。


可拉伸晶体管阵列作为皮肤电子学的核心构件


04柔性电子皮肤的未来


对人造皮肤的追求激发了材料的创新,包括机械耐久性和拉伸性、生物降解性。简单说,电子皮肤是由轻薄、可弯曲、可拉伸、有弹性的材料制成的柔性电子器件,是传感器技术、微机电技术、新材料技术等多项技术相互融合的成果。



未来,随着工程技术的发展,电子皮肤将实现更加真实复杂的多尺度功能感知,并有可能进一步增强甚至扩充人类感官能力,例如触觉、嗅觉以及味觉等的增强,对磁场、电场以及辐射等的感觉扩充。

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