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    Science子刊:異質集成的可穿戴電子,實現卓越的仿生、機械和電子性能
    2020-11-13  來源:高分子科技

      可伸縮的柔性電子產品在過去的二三十年間由于其先進的機械性能和電子性能而備受關注,與人體集成在一起,可以監控身體活動和健康狀況,實現人機界面以及虛擬/增強現實。通過探索各種化學機理,柔性電子產品努力模仿自然皮膚的自愈能力。同時,為了減少電子垃圾和對環境的影響,可降解材料作為不可降解電子垃圾的替代品,在規定的時間內可以被物理消除。針對上述研究,科羅拉多大學博爾德分校的Jianliang Xiao教授與Wei Zhang教授在2018年就發表過關于可修復、可回收的電子皮膚。


      這一次,兩位教授團隊再次聯手,合作開發了一種多功能可穿戴電子系統,成果發表于最近一期的Science Advances(Science Advances: Vol. 6, no. 45, eabd0202)。如圖1所示,該系統結合了材料、化學和機械方面的先進技術,可實現出色的可拉伸性、自修復性、可回收性和可重構性,且可提供運動、溫度、聲學和心電圖信號的跟蹤與監測。該可穿戴電子系統通過低成本制造方法異質集成了剛性半導體器件、柔性聚亞胺薄膜和液態金屬材料。


    圖1. 多功能集成電子皮膚的(A)人體佩戴示意圖; (B) 分層結構示意圖; (C) 多種變形狀態; (D) 可回收及可修復性能


      實驗表明,在不影響電傳感性能的前提下,可穿戴電子器件可以在水平和垂直方向上單軸拉伸60%,雙向拉伸30%。圖2中的心電數據信號顯示其在不同加載條件下的傳感性能不受變形的影響。


    圖2. 拉伸狀態下芯片組件的有限元計算和實驗研究


      圖3顯示,當封裝液態金屬的聚亞胺器件用刀片切斷后,ECG信號消失,由于聚亞胺網絡中的鍵交換反應和液態金屬的可流動性,可穿戴電子設備可以實現機械和信號的自修復。動態共價聚亞胺網絡的鍵交換反應不僅為材料提供界面間的自愈能力,而且宏觀可以表現為變形材料的應力松弛,并可根據不同的應用場景實現不同構型的重新配置(圖4)。


    圖3. 多功能集成電子皮膚的自愈性能


    圖4. 通過應力松弛重塑的3種構型及應用


      當器件發生破壞,嚴重磨損或不再需要時,可以被完全回收。回收的溶液、芯片組件和液態金屬都可以被重復使用,用于制造新一代的材料和器件。


    圖5.多功能集成電子皮膚的回收性能


      原文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/6/45/eabd0202

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    (責任編輯:xu)
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