“真正可穿戴”的电子皮肤问世，可在任意方向伸展60%
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。
图 | 新型可穿戴电子设备研究者肖建亮（左）和张伟（右）
缘起于食堂的一场研究
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。
图 | 可穿戴在脚踝上
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。
清华研发“电子皮肤”可测人体信号
贴于人体与物体表面的定制化石墨烯“电子皮肤”。受访者供图
使用世界最薄材料石墨烯制成，可探测呼吸心率等生理信号；未来可实现发现早期疾病特征
贴附一片超薄的“电子皮肤”便能探测出人体生理信号，将一些疾病防患于未然。这一科幻场景或许将在不远的未来变成现实。
近日，清华大学微纳电子系任天令教授团队研发出多层石墨烯表皮电子皮肤，该器件具有极高灵敏度，可直接贴覆于皮肤探测呼吸、心率、发声等人体信号，在运动监测、睡眠监测、生物医疗等方面具有重大应用前景。
皮肤作为人体最大的器官，负责人体内部与外界环境的交互。在其柔软的组织下面分布着一个庞大的传感器网络，可实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。电子皮肤通过模拟人类皮肤的传感功能，或能实现或超越皮肤的传感性能。近些年该项研究发展迅速，成为一种重要的生物医学传感器。
“研究电子皮肤是为了更好的收集体征信号，能够了解人的身体状况，在早期发现疾病特征，将疾病扼杀在萌芽之中。”该成果论文的第一作者乔彦聪解释开展这项研究的初衷。
■ 揭秘
1 电子皮肤用何材料制成？
国内外有利用不同材料制作电子皮肤的“原材料”尝试，这些材料需具备好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。
清华大学任天令教授团队利用的材料是石墨烯。记者了解到，“石墨烯＋电子皮肤”的组合，在国内外研究中刚刚起步。石墨烯是世界上最薄的材料，其出色的导电性和柔韧性，是电子皮肤的理想材料。
如何将石墨烯更稳定可靠地贴在皮肤表面，从而采集人体生理信号一直是亟待解决的关键问题，也是该领域研究难点。
任天令教授团队创造了湿法剥离氧化石墨烯的新工艺。去除石墨烯氧化物，只留存石墨烯，使器件更美观、灵敏度更高、可耐受更高温度。“如果没有剥离工艺，外加力的时候，残留石墨烯氧化物会分散部分受力，从而降低器件灵敏度。”任天令说。
任天令介绍，此次使用的是多层石墨烯。“单层石墨烯的厚度只有三亿分之一米，但由于相对脆弱所以处理起来比较困难。此外，低缺陷单层石墨烯生长成本相对较高。为了提高可操作性，我们制备的多层石墨烯，不仅降低了制备成本，而且提高了器件灵敏度。”
2 如何探测人体生理信号？
脉搏呼吸等机械信号让电子皮肤传感部分的电阻值发生变化，通过分析这个电信号则可分析体征信号。解决原材料问题后，剥离后的石墨烯作为基底如何贴合在人体表面、探测体征信号成了下一个难题。
通过对激光直写石墨烯微观结构的分析研究，任天令团队建立了以石墨烯带状结构为基元的裂痕理论模型，较好模拟了由应力引起的阻值变化过程。任天令解释，通过在电子显微镜下观察裂痕形貌，发现了两种不同的裂痕，随后进行了模型仿真和实验验证，发现仿真结果与实验结果非常吻合。
“其实这个模型在现实中就有非常形象的对应，我们吃牛肉干时会发现牛肉干是有纹路的，你沿不同方向撕牛肉干所需力量是不同的，纹路的断裂在不同方向是不一样的，科学的讲就是‘各向异性的’。”任天令说。
摸清石墨烯的特点后，便可通过电阻值的变化实现对人体生理信息的监测和分析。电子皮肤贴附在口罩、手腕、喉咙等不同位置，可实现对呼吸、心跳、语音等生理体征信号的测量。测量心率可贴合在胸口、手腕、指尖，测量呼吸可贴合在人中、喉部。“贴合在人体任何部位都没问题，但要根据实际情况确定贴合部位。”任天令说。
据介绍，这款电子皮肤可稳定工作10小时以上，还可以定制图案。
“现在还在进行后端研发，希望完成一个便携式系统，让大家随时随地了解自己的体征信号。”论文第一作者乔彦聪说。
■ 前瞻
“未来可将疾病扼杀在萌芽”
电子皮肤的传感功能，在机器人医疗检测和诊断等方面展现了光明的应用前景。近年来，关于电子皮肤的研究不断“开花”。
2017年6月，中科院半导体研究所开发了一种可直接贴附在人体表面的超薄高像素柔性电子皮肤阵列。该团队设计的传感器对环境压力展现出超高的灵敏度，设计的微米级超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构，使得器件不仅弹性好，也不易损坏。
今年6月，约翰·霍普金斯大学医学院的研究团队研究出一种能感知疼痛和触感的电子皮肤，包裹这种电子皮肤的假体能帮助截肢患者避免受到伤害。将电子皮肤的传感器通过放置在皮肤上的电极连接到佩戴者的假体上，与真正的神经传递信号的方式相似，这样根据电子装置传递的不同脉冲模式，电子皮肤能够传递从轻触到疼痛的一系列感觉。
任天令表示，电子皮肤能实时监测人体状况，“目前医疗领域愈发重视疾病预防，如果我们能够在疾病初期就监测到其信号，就能将其扼杀在萌芽，这样不仅能减轻患者痛苦，还能降低治疗成本，对国计民生是巨大的福祉。”
■ 简介
一毫克石墨烯可承重一只猫
作为目前世界上最薄、最坚硬的材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。
2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成了世界上最薄、强度最高的材料石墨烯。6年后，两位科学家因在石墨烯研究方面的卓越成就被授予诺贝尔物理学奖，进一步将石墨烯推向科学研究的热点。
石墨烯仅一个原子厚，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。它的柔韧性惊人，拉伸幅度能达到自身尺寸20%。如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可承受一只猫的重量，而其本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。
“石墨烯良好的机械性能及其厚度使之具有良好的柔韧性，可随人体表面的形变而变化。同时石墨烯具有优异的导电性，对机械信号能产生明显的响应使之转化为可测量的电信号。”任天令说。
基于这些特性，石墨烯研究近年有了长足发展。2017年，清华任天令团队曾首次实现石墨烯智能人工喉。该新型智能器件具有声音收发一体化的特点，既能接收声音，又可发射声音，并且具有良好的生物兼容性，贴附在聋哑人喉部便可以辅助聋哑人“开口说话”。
新京报记者 王俊
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