科學(xué)家研制出電子紋身 可遠(yuǎn)程控制機(jī)械手

你聽(tīng)說(shuō)過(guò)「電子紋身」(Electronic Tattoo)嗎?

早在 2013 年，摩托羅拉高級(jí)副總裁 Regina Dugan 就曾拿出了一個(gè)看上去類(lèi)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(dòng)式智能設(shè)備，可惜并未過(guò)多展示它充滿未來(lái)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(guò)程——設(shè)備差不多硬幣大小，由一個(gè)印刷電路板、5 個(gè)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(huì)發(fā)光，皮膚上則顯現(xiàn)出一朵梅花，這紋身可以說(shuō)是太硬核了，硬核得有點(diǎn)兒肉疼。

如果你覺(jué)得電子紋身只是廠商炒概念、科學(xué)怪人開(kāi)腦洞，那就錯(cuò)了。

2018 年，美國(guó)卡內(nèi)基 · 梅隆大學(xué)的科學(xué)家們就已將電子紋身寫(xiě)進(jìn)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(guò)印刷，紋身就可輕松地轉(zhuǎn)移到皮膚上，并且導(dǎo)電性也很高。

當(dāng)時(shí)參與這項(xiàng)研究的卡內(nèi)基 · 梅隆大學(xué)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，我國(guó)科學(xué)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(xué)》雜志子刊《科學(xué) - 進(jìn)展》，題為 Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect(可實(shí)現(xiàn)折痕放大效果的多層電子傳遞紋身)。

論文作者來(lái)自南方科技大學(xué)(深圳灣實(shí)驗(yàn)室生物醫(yī)學(xué)工程研究所)、首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院以及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)中心。

何為「電子紋身」?

通過(guò)上文介紹，我們大概已經(jīng)能對(duì)電子紋身下一個(gè)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(shí)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(chǎng)通信)，一種能讓設(shè)備在彼此靠近時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的技術(shù)。

NFC 這項(xiàng)技術(shù)是在 RFID(非接觸式射頻識(shí)別)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合無(wú)線互連技術(shù)研發(fā)而成，日常場(chǎng)景中這項(xiàng)技術(shù)也為各類(lèi)電子產(chǎn)品提供了安全快捷的通信支撐。移動(dòng)支付、文件傳輸、門(mén)禁、手機(jī)與車(chē)鑰匙集成的背后，都離不開(kāi) NFC——具體到電子紋身上，NFC 則保證了信號(hào)的傳遞。

其實(shí)電子紋身可以有很多種用途，例如耳機(jī)、無(wú)線收發(fā)器、電源、噪音檢測(cè)器、測(cè)謊儀等等。

論文中作者也有提到：

電子紋身在皮膚健康和運(yùn)動(dòng)感應(yīng)方面有著很大的潛力。

然而，電子紋身目前存在的問(wèn)題是：保形性、粘性和多層性等特性并不能同時(shí)存在，這便是研究人員設(shè)計(jì)新型電子紋身的動(dòng)因。

多層電子傳遞紋身

研究人員設(shè)計(jì)出了一種「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo(下文簡(jiǎn)稱(chēng)為 METT)。

為了組成多層電路模塊，科學(xué)家們用到了兩種材料，一是金屬聚合物導(dǎo)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(dāng)收到外部壓力時(shí)，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(dǎo)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(yīng)變傳感器，數(shù)量分別為 11 和 4，而第三層電路上有 1 個(gè)加熱器。

由于金屬 - 聚合物導(dǎo)體(metal-polymer conductor)有著良好的拉伸性、可重復(fù)性，因此可被用作應(yīng)變傳感器。

如下圖 A、B 所示，基于金屬 - 聚合物導(dǎo)體的應(yīng)變傳感器的電阻隨著拉伸應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了皮膚的最大變形。

整體上，METT 可用于溫度調(diào)節(jié)、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和機(jī)器人遠(yuǎn)程控制，具有高延展性(800%)、保形性和粘性，可實(shí)現(xiàn)將折痕放大的效果，因而能將集成應(yīng)變傳感器的輸出信號(hào)放大 3 倍。事實(shí)證明，無(wú)需任何溶劑或者加熱，METT 就能在不同的表面牢牢附著。

遠(yuǎn)程控制機(jī)械手

不僅如此，為了展示這種新型電子紋身的可擴(kuò)展性，科學(xué)家們更是制造了一個(gè) 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(gè)電路層都包含一個(gè)基于金屬 - 聚合物導(dǎo)體的加熱器，兩端有兩個(gè)連接點(diǎn)，用于與其他層中的加熱器形成垂直電連接——因此，7 個(gè)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(dǎo)體的加熱器通過(guò)連接點(diǎn)形成的電連接的圖像。

論文介紹，除連接點(diǎn)外，金屬 - 聚合物導(dǎo)體通過(guò) 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(gè)結(jié)論是，隨著層數(shù)增加，紋身的順應(yīng)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(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們將METT 進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用——通過(guò)手指彎曲發(fā)出的信號(hào)被放大，通過(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)搅藱C(jī)械手，因此 METT 能遠(yuǎn)程控制機(jī)械手，機(jī)械手在模仿我們手的動(dòng)作時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)異常的振動(dòng)。

論文表示，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò) 2 層 METT 實(shí)現(xiàn)了以 6 個(gè)自由度遠(yuǎn)程控制機(jī)械手、通過(guò) 3 層 METT 實(shí)現(xiàn)了以 15 個(gè)自由度遠(yuǎn)程控制機(jī)械手。

可以肯定的是，未來(lái)電子紋身在醫(yī)療、VR 和可穿戴機(jī)器人方面具有巨大潛力。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 機(jī)械手