三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子紋身」還能控制機械手
作者 | 付靜
你聽說過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？
早在 2013 年，摩托羅拉高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出了一個看上去類似于普通紋身貼的產(chǎn)品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是一種移動式智能設(shè)備，可惜并未過多展示它充滿未來感的那一面。
2016 年 YouTube 上的一段視頻中，幾位生物黑客展示了將電子設(shè)備植入皮下的過程——設(shè)備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發(fā)光二極管（SMD LED）組成，被硅膠包裹著，由一塊 3 伏的電池供電。
設(shè)備植入并受磁鐵激活后，LED 燈會發(fā)光，皮膚上則顯現(xiàn)出一朵梅花，這紋身可以說是太硬核了，硬核得有點兒肉疼。
如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。
2018 年，美國卡內(nèi)基·梅隆大學的科學家們就已將電子紋身寫進了論文——他們用液態(tài)金屬合金涂覆銀納米顆粒，二者融合后形成這些電路，經(jīng)過印刷，紋身就可輕松地轉(zhuǎn)移到皮膚上，并且導電性也很高。
當時參與這項研究的卡內(nèi)基·梅隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：
這是電子印刷領(lǐng)域的突破。
而就在最近，中國科學家們也聯(lián)合打造了一款電子紋身。
2021 年 1 月 13 日，相關(guān)論文正式發(fā)表于《科學》雜志子刊《科學-進展》，題為 Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect（可實現(xiàn)折痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。
論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫(yī)學工程研究所）、首都醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院以及中國科學院大學國家納米科學技術(shù)中心。
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何為「電子紋身」？
通過上文介紹，我們大概已經(jīng)能對電子紋身下一個定義了：一種能直接貼在皮膚上的超薄電路。
電子紋身可以隨著皮膚的狀態(tài)實現(xiàn)任意的拉伸和彎曲，可謂是可穿戴設(shè)備的最高境界了。
據(jù)悉，其工作原理是 NFC（Near Field Communication，近場通信），一種能讓設(shè)備在彼此靠近時進行數(shù)據(jù)交換的技術(shù)。
NFC 這項技術(shù)是在 RFID（非接觸式射頻識別）技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合無線互連技術(shù)研發(fā)而成，日常場景中這項技術(shù)也為各類電子產(chǎn)品提供了安全快捷的通信支撐。移動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集成的背后，都離不開 NFC——具體到電子紋身上，NFC 則保證了信號的傳遞。
【蘋果手機上的 NFC 功能】
其實電子紋身可以有很多種用途，例如耳機、無線收發(fā)器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。
論文中作者也有提到：
電子紋身在皮膚健康和運動感應方面有著很大的潛力。
然而，電子紋身目前存在的問題是：保形性、粘性和多層性等特性并不能同時存在，這便是研究人員設(shè)計新型電子紋身的動因。
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多層電子傳遞紋身
研究人員設(shè)計出了一種「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下文簡稱為 METT）。
為了組成多層電路模塊，科學家們用到了兩種材料，一是金屬聚合物導體（metal-polymer conductors），二是彈性體嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。
METT 共有 3 層：
粘合層（adhesive layer）：一層很薄（~8 μm）的壓敏膠，當收到外部壓力時，粘合層使得 METT 與皮膚緊密附著。
釋放層（release layer）：一種硅酮膜，主要目的是便于電路模塊從釋放膜剝離。
兩者之間的電路模塊：其中包含 3 層電路，每層都是嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）薄膜（~14 μm）。
據(jù)悉，第一、二層電路上分布有應變傳感器，數(shù)量分別為 11 和 4，而第三層電路上有 1 個加熱器。
科學家們測試了 METT 中應變傳感器的機電性能。
由于金屬-聚合物導體（metal-polymer conductor）有著良好的拉伸性、可重復性，因此可被用作應變傳感器。
如下圖 A、B 所示，基于金屬-聚合物導體的應變傳感器的電阻隨著拉伸應變的增加而增加，METT 甚至可以很容易地拉伸到 800％ 的程度，這遠遠超過了皮膚的最大變形。
整體上，METT 可用于溫度調(diào)節(jié)、運動監(jiān)測和機器人遠程控制，具有高延展性（800%）、保形性和粘性，可實現(xiàn)將折痕放大的效果，因而能將集成應變傳感器的輸出信號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或者加熱，METT 就能在不同的表面牢牢附著。
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遠程控制機械手
不僅如此，為了展示這種新型電子紋身的可擴展性，科學家們更是制造了一個 7 層的 METT，作為一種可拉伸加熱器。
上圖 A 是 7 層加熱器的俯視圖，每個電路層都包含一個基于金屬-聚合物導體的加熱器，兩端有兩個連接點，用于與其他層中的加熱器形成垂直電連接——因此，7 個加熱器就以串聯(lián)的方式連接到了電源。
上圖 B 展示的則是不同層中基于金屬-聚合物導體的加熱器通過連接點形成的電連接的圖像。
論文介紹，除連接點外，金屬-聚合物導體通過 SBS 形成了良好的電絕緣，在熱圖像中未發(fā)現(xiàn)短路。
研究得出的一個結(jié)論是，隨著層數(shù)增加，紋身的順應性隨著厚度的增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數(shù)功能。
實驗中，科學家們將 METT 進行了實際應用——通過手指彎曲發(fā)出的信號被放大，通過藍牙傳輸?shù)搅藱C械手，因此 METT 能遠程控制機械手，機械手在模仿我們手的動作時也不會出現(xiàn)異常的振動。
論文表示，團隊已經(jīng)通過 2 層 METT 實現(xiàn)了以 6 個自由度遠程控制機械手、通過 3 層 METT 實現(xiàn)了以 15 個自由度遠程控制機械手。
可以肯定的是，未來電子紋身在醫(yī)療、VR 和可穿戴機器人方面具有巨大潛力。
引用來源：
https://techcrunch.com/2018/11/14/these-temporary-electronic-tattoos-could-redefine-wearables/
https://advances.sciencemag.org/content/7/3/eabe3778
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