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柔性电子大牛Rogers/鲍哲南/Someya《Nature》论剑:一文了解电子皮肤最新进展!

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

2021年3月23日,《Nature》科技特征专栏报道中提到复盘电子皮肤蜕变史。柔性电子领域全球领先的科学家John Rogers教授、鲍哲南教授和Takao Someya教授等分享了各自的进展和对未来的看法。

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最新电子皮肤能监测新冠

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John A. Rogers教授

John A. Rogers教授是国际著名材料学家、物理学家及化学家,现为美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士。他领导着美国西北大学的一个团队,开发一种具有健康监控应用程序的柔性类皮肤材料。采用该材料设计的设备当置于喉咙底部的凹陷处时,能够通过无线蓝牙实时监测人的谈话、呼吸、心率和其他生命体征,从而用于中风或需要言语治疗的患者。

在新冠病毒肆虐全球之际,芝加哥市正在使用约400种这种设备,以帮助医护人员发现病人早期的COVID-19症状,并对患者进行疾病监测。

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图1佩戴在喉咙上的柔性装置可连续监测COVID-19患者的咳嗽和呼吸频率

其实,这种“电子皮肤”技术已经进入全球,例如帮助监测早产儿的生命体征和运动员的水合作用。另外,其他的电子皮肤可给机器人一种更轻且类似人类的触感。但无论是人类还是机器人,这类设备都面临着一个重大的化学和工程挑战:电子元件通常易碎且不具备柔性,而人类皮肤具有较好的延展性。

柔性屏、柔性电路的探索

电子皮肤设备的根源是电子书阅读器和曲面电视中的组件,这些组件是由研究导电碳的柔性碳基分子或聚合物的科学家开发的。科学家开发用于显示器和照明的有机发光二极管,用于显示器背板、大面积电子设备的晶体管和收集太阳能的光伏电池。

最早将传统电子设备中的组件应用电子皮肤的是东京大学Takao Someya团队,他们开发了一种柔性的8 cm×8 cm的机器人皮肤贴片,该贴片由多层高性能压敏聚酰亚胺塑料、并五苯有机半导体以及金和铜电极制成,就像一块柔性电路板。团队开发的下一代有源矩阵,本来是为柔性显示器开发的,但他给机器人带来了从未有过的东西:对压力的反应能力带来的触觉。

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Takao Someya教授

但Someya意识到,皮肤必须的不仅仅是柔性,它也必须具有弹性和延展性,并且能够对轻触做出响应。2005年,Someya团队通过将相对刚性的聚酰亚胺聚合物纺成股状然后制成网状结构,解决了这些问题。在拉力作用下,这些股线会扭曲,从而使研究人员可以在鸡蛋的表面上对其拉伸。拉伸的网能够感觉到与橡胶块接触而施加到鸡蛋上的压力变化。此外,在网中加入有机半导体二极管后,它还可以测量温度。

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图2 可穿戴电子设备

面对同样的挑战,Rogers团队采用了另一种方案,致力于将硬质无机材料制成超薄结构,通常是在纳米级。2006年,研究人员首先对单晶硅的亚微米级条带进行工程处理,然后将其在张力下粘合到橡胶状的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄片上。当他们释放张力时,硅会变形为起伏的波浪,随着材料的变形,硅会变平(但不会破裂)。这是一种有机-无机混合方法。

人体无感电子皮肤

保持电极和人之间的接触并不容易,因为皮肤会随着人的移动而拉伸、起皱和弯曲。凝胶可以将电极固定在适当的位置,但时间不长,因为凝胶是水性的,随着时间的推移会变干。

离子液体是一种可能的解决方案。离子液体是由在室温下呈液态的盐制成的,它蒸发速度慢,并且具有良好的导电性。2014年,英国剑桥大学Malliaras团队将一种名为1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯的离子液体与聚合物结合,制备了一种可以容纳金电极和导电聚合物的凝胶。该团队报道说,这种装置的电性能可保持三天。

但这样的装置也会阻挡汗液、阻碍空气交换,并使人在佩戴时产生刺激性。此外它们也很脆弱,不能长时间使用。

为解决这些问题,Someya团队在2017年提出了一种多孔传感器的想法,使用一种厚度仅为300–500纳米的柔性金纤维网。具体做法是,首先将聚乙烯醇(PVA)纺成了一个像意大利面一样的网,然后在上面沉积了金电路,最后用水洗掉PVA,留下柔软、透气、无刺激性的电路。去年,该团队报告说,他们采用这样的设计,可通过人体心脏在胸部引起的振动来测量人体心脏的跳动,持续时间达10小时。

“你可以整天戴着一个装置,却忘了它就在那里。”。

电子皮肤的灵敏度

斯坦福大学鲍哲南采用分子方法开发电子皮肤,从一开始就考虑柔性来设计有机聚合物和电子元件。她说:“我们从分子水平设计它们,类皮肤特性会成为新材料的固有特性。”。

此前,她已经开发出一种原型装置,该装置可感知汗液中的激素变化,特别是皮质醇水平(一种重要的压力指标),可以用来帮助理解焦虑和抑郁。此外,该技术也可以用来制造放置在体内的有机电子产品,以帮助修复受损的神经,并且随着身体的变化而变形。

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此外,鲍哲楠团队利用多种具有不同导电性能和可生物降解性的聚合物来制造材料。2010年,她的团队开发了一种由弹性聚合物PDMS制成的皮肤,这种皮肤可以检测压力的微小变化,以模仿触觉。2019年,她的团队报道了一种可生物降解的无线传感器,该传感器可以包裹在血管周围并在手术后连续监测血液流量。

鲍哲南说,她的目标是让这些传感器覆盖更多的身体,同时保持细胞分辨率。

具有“痛觉”的电子皮肤

在澳大利亚,与罗杰斯(Rogers)一样,墨尔本皇家墨尔本理工大学(RMIT University)的Madhu Bhaskaran赞成无机方法。Madhu Bhaskaran团队使用诸如锶、钒或钛的氧化物之类来开发可以感觉到疼痛的人造皮肤。例如,可以将该材料涂覆到假肢上。

2013年,Bhaskaran团队将氧化物涂层与弹性橡胶(如硅橡胶或PDMS)混合,制造出一种可拉伸的电子材料。该材料可以拉伸高达15%,但仍然保持其电气性能。

2020年,Bhaskaran和她的同事制作了一种材料,可以模拟皮肤对过热、压力和疼痛的反应,以及大脑对它的反应。他们将柔性Gold-PDMS压力传感器与氧化钒温度传感器以及基于氧化锶的组件结合在一起,该组件“记忆”了流过的电荷量,称为忆阻器。随着刺激强度的增加,这些“体感”电路会发出越来越大的信号。

落地:部分已用于临床试验,如监测重症早产儿

实际上,某些电子皮肤产品已经在使用中。

例如,一种名为BioStamp的感应贴片可以在家里通过整理参与者的大量生命体征数据来辅助临床试验。该产品是由Rogers在2008年成立的公司MC10所开发,并且在2018年5月获得了美国食品和药物管理局的批准。

2019年,Rogers及其同事们推出了一种粘贴式大小的无线传感器,可以用来监测新生儿重症监护室的早产儿。目前,赞比亚、加纳和肯尼亚的医院以及芝加哥的卢里儿童医院和普伦蒂斯妇女医院都在使用大约1000台这样的设备。

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图4 用于监测新生儿重症监护室中婴儿的柔性无线传感器

此外,Someya团队于2015年在东京成立了一家名为Xenoma的衍生公司,该公司在智能服装中使用类似皮肤的传感器。这包括可以监测人体温度并与空调装置连接以调节室内温度的睡衣,或在穿戴者跌倒时提醒紧急服务或家庭成员的睡衣。

Malliaras尚未将其离子液体技术商业化,但计划在英格兰大流行限制解除后允许志愿者测试,并允许他的团队返回剑桥的Addenbrooke医院。

任重道远

可穿戴电子设备领先于基于手腕的设备。为获得真正基于皮肤的敏感性,需要与这些皮肤长时间,紧密接触,而这些刚性、易碎的商用设备无法做到这一点。

这给材料科学家带来了一系列有趣的挑战:如何使所有这些材料共同集成并一起工作?如何管理软硬材料之间的界面和机械性能不匹配?

Someya、Rogers、Bao和其他人为克服这些问题所做的努力被证明是富有成果的。除了罗杰斯在COVID-19和新生儿护理方面的工作外,他实验室的平台还用于各种临床环境。例如,这些设备包括用于监测囊性纤维化患者的汗液生物标志物,检查某些皮肤疾病中的皮肤水合作用以及评估黑色素瘤患者的紫外线暴露的设备。他的实验室还开发了可穿戴式传感器,可跟踪皮肤与假体之间的压力和温度。

鲍哲南认为Rogers采用不同的方案交叉融合,所以非常的高产。相比之下她的团队不得不考虑新方法和更长远的发展,本征具有类皮肤属性的电子皮肤将真正改变我们未来的电子产品的状况。

最后,无论研究人员采取什么方法,Rogers都认为最近对可穿戴电子研究的兴趣激增是可以推动进一步探索的过渡点。他说:“只有当电子皮肤真正影响和改善患者生活,资源才会源源不断流入,为基础研究产生强大的动力。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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