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异质集成的可穿戴电子,实现卓越的仿生、机械和电子性能

时间:2020-11-20 来源:机器人在线 阅读:2771

可伸缩的柔性电子产品在过去的二三十年间由于其先进的机械性能和电子性能而备受关注,与人体集成在一起,可以监控身体活动和健康状况,实现人机界面以及虚拟/增强现实。通过探索各种化学机理,柔性电子产品努力模仿自然皮肤的自愈能力。同时,为了减少电子垃圾和对环境的影响,可降解材料作为不可降解电子垃圾的替代品,在规定的时间内可以被物理消除。针对上述研究,科罗拉多大学博尔德分校的Jianliang Xiao教授与Wei Zhang教授在2018年就发表过关于可修复、可回收的电子皮肤。


这一次,两位教授团队再次联手,合作开发了一种多功能可穿戴电子系统,成果发表于最近一期的Science Advances(Science Advances: Vol. 6, no. 45, eabd0202)。如图1所示,该系统结合了材料、化学和机械方面的先进技术,可实现出色的可拉伸性、自修复性、可回收性和可重构性,且可提供运动、温度、声学和心电图信号的跟踪与监测。该可穿戴电子系统通过低成本制造方法异质集成了刚性半导体器件、柔性聚亚胺薄膜和液态金属材料。


图1. 多功能集成电子皮肤的(A)人体佩戴示意图; (B) 分层结构示意图; (C) 多种变形状态; (D) 可回收及可修复性能


实验表明,在不影响电传感性能的前提下,可穿戴电子器件可以在水平和垂直方向上单轴拉伸60%,双向拉伸30%。图2中的心电数据信号显示其在不同加载条件下的传感性能不受变形的影响。


图2. 拉伸状态下芯片组件的有限元计算和实验研究


图3显示,当封装液态金属的聚亚胺器件用刀片切断后,ECG信号消失,由于聚亚胺网络中的键交换反应和液态金属的可流动性,可穿戴电子设备可以实现机械和信号的自修复。动态共价聚亚胺网络的键交换反应不仅为材料提供界面间的自愈能力,而且宏观可以表现为变形材料的应力松弛,并可根据不同的应用场景实现不同构型的重新配置(图4)。


图3. 多功能集成电子皮肤的自愈性能


图4. 通过应力松弛重塑的3种构型及应用


当器件发生破坏,严重磨损或不再需要时,可以被完全回收。回收的溶液、芯片组件和液态金属都可以被重复使用,用于制造新一代的材料和器件。


图5.多功能集成电子皮肤的回收性能

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