美韓科學(xué)家研發(fā)嵌入傳感器、貼合度高的粘性貼片“智能皮膚”
據(jù)麥姆斯咨詢報道,麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師和韓國研究人員共同開發(fā)出一種防汗的“電子皮膚”——嵌入了傳感器、貼合度高的粘性貼片。即使佩戴者大量出汗,也不會失效或脫落,保證人體健康監(jiān)測。
工程師們開發(fā)出防汗“電子皮膚”——貼合度高并嵌入了傳感器的粘性貼片,即使佩戴者出汗,也能可靠地監(jiān)測人體健康
上圖中的人工汗腺管類似于人體皮膚的毛孔,研究人員在材料的超薄層中蝕刻形成?!懊住贝┻^貼片,圖案類似于日本剪紙藝術(shù)kirigami。該設(shè)計確保汗水能夠通過貼片滲出,防止皮膚被刺激以及嵌入的傳感器被損壞。
kirigami設(shè)計使得貼片能夠伸展和彎曲,更符合人類皮膚。這樣的靈活性與材料的抗汗能力相匹配,足以長時間監(jiān)控人體健康,這是過去的“電子皮膚”設(shè)計無法實現(xiàn)的。發(fā)表在Science Advances雜志上的研究結(jié)果是向經(jīng)久耐用、追蹤日常生命體征或皮膚癌和其它疾病進(jìn)展“智能皮膚”邁出的一步。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授Jeehwan Kim說:“有了這種舒適透氣的皮膚貼片,就不會出現(xiàn)汗液積聚、錯誤信息、貼片脫落。這樣的可穿戴傳感器可以進(jìn)行長期的不間斷監(jiān)控?!?/p>
論文合著者包括主要作者、麻省理工學(xué)院博士后Hanwool Yeon、麻省理工學(xué)院機(jī)械工程研究人員、麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程研究人員、麻省理工學(xué)院電子研究實驗室的研究人員,以及來自韓國愛茉莉太平洋集團(tuán)(Amorepacific)和韓國其它機(jī)構(gòu)的合作者。
Kim的團(tuán)隊專注于柔性半導(dǎo)體薄膜制造。研究人員開創(chuàng)了一種遠(yuǎn)程外延(remote epitaxy)技術(shù),在晶圓上高溫生長出超薄的高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜,并選擇性地剝?nèi)ケ∧?,然后將其組合并堆疊形成傳感器,相比傳統(tǒng)晶圓設(shè)計更薄、更靈活。
最近,他們的工作引起了韓國化妝品公司Amorepacific的注意,該公司有興趣開發(fā)超薄的可穿戴貼片以持續(xù)監(jiān)測皮膚變化。Amorepacific公司與Kim合作,制作出可以長期佩戴的柔性半導(dǎo)體薄膜。
但團(tuán)隊很快就遇到了其它電子皮膚設(shè)計尚未解決的大難題:汗水。大多數(shù)實驗設(shè)計是將傳感器嵌入到粘性聚合物材料中,這類材料透氣性較差。還有些設(shè)計選擇編織狀納米纖維,只有空氣可透過,而汗水無法透過。Kim認(rèn)為,電子皮膚的長期工作,需要較好的透氣性和透汗性。
Kim說:“汗水會在電子皮膚和人體皮膚之間積聚,這可能讓電子皮膚受損,并導(dǎo)致傳感器故障?!币虼?,研究團(tuán)隊試圖讓汗水通過電子皮膚滲透來同時解決這兩個問題。
為了獲得設(shè)計靈感,研究人員研究了人類的汗毛孔。他們發(fā)現(xiàn),汗毛孔平均孔徑約100微米,隨機(jī)分布在整個皮膚。他們進(jìn)行了一些初步模擬以確定如何覆蓋和安排人工毛孔,達(dá)到不阻止人類皮膚毛孔的目的。
“我們的簡單想法是,如果我們在電子皮膚上設(shè)計人工汗腺管,并為汗液提供高滲透路徑,我們可能會實現(xiàn)長期監(jiān)控?!盰eon解釋道。
從周期性排布模式開始,每個孔的尺寸與人類汗毛孔相當(dāng)。研究人員發(fā)現(xiàn),如果毛孔挨得很近,距離小于平均孔徑,這種模式將有效地滲透汗水。但他們也發(fā)現(xiàn),如果用這種簡單排布模式將孔蝕刻在薄膜上,薄膜的延展性較差,用于皮膚時容易破損。
研究人員發(fā)現(xiàn),通過在每個孔之間切割出細(xì)通道,可以增加強(qiáng)度和靈活性,這叫做“重復(fù)啞鈴”(repeating dumbbells)模式。這種模式可以釋放應(yīng)力,確保應(yīng)力不會集中在某一點(diǎn)。這種模式,當(dāng)被蝕刻成材料,就創(chuàng)造出了可拉伸的kirigami立體剪紙藝術(shù)效果。
“如果你把一張紙包在球上,那是不符合要求的。但是,如果你用紙剪出kirigami圖案,就符合要求了。因此,我們想,為什么不把孔與切口連接起來,讓皮膚上具有kirigami式的符合性呢?同時還可以滲透汗水?!盞im分享到。
根據(jù)這一原理,研究小組利用多個功能層制作了一種電子皮膚,每層都刻有啞鈴圖案的毛孔。皮膚層包括超薄半導(dǎo)體圖案的傳感器陣列,以監(jiān)測溫度、水合作用、紫外線照射和機(jī)械應(yīng)力。此傳感器陣列位于兩層很薄的保護(hù)膜之間,覆蓋了聚合物粘合劑。
電子皮膚的結(jié)構(gòu)示意圖
“電子皮膚就像人的皮膚一樣,可延展,非常柔軟,汗水能夠滲透?!盰eon說。
研究人員將電子皮膚貼在志愿者的手腕和額頭進(jìn)行測試。志愿者連續(xù)佩戴了一個多星期。在測試期間,電子皮膚可靠地測量了志愿者的溫度、皮膚水合作用、紫外線照射和脈搏,期間志愿者還在跑步機(jī)上跑步30分鐘,并進(jìn)食辛辣飯菜。
團(tuán)隊的設(shè)計也考慮了如何貼合皮膚。當(dāng)貼于志愿者額頭時,志愿者被要求反復(fù)皺眉并大量出汗,相比其它電子皮膚缺乏汗水滲透性、容易脫離皮膚的設(shè)計,這款電子皮膚的貼合性非常棒。
Kim計劃提高該設(shè)計的堅固度和耐用性。雖然貼片的透汗性較好,貼合度高,但由于其Kirigami圖案需要與超薄貼片匹配,在摩擦?xí)r相當(dāng)脆弱。因此,志愿者們在淋浴等活動時必須佩戴外殼加以保護(hù)。
“電子皮膚非常柔軟,所以可能會受到物理損傷?!盰eon說,“我們的目標(biāo)是提高電子皮膚的彈性?!痹擁椦芯康玫搅隧n國Amorepacific公司的支持。