可拉伸电路：将电子皮肤朝人类皮肤又推进一步

文/陈根

电子皮肤是通过电学信号的集成与反馈来模拟人体皮肤感受外界刺激(压力、温度、湿度)的新型电子器件。近年来,电子皮肤作为一种柔性触觉仿生传感器已经广泛地应用于人体生理参数检测与机器人触觉感知等领域,为健康监测、假肢和压力感应机器人提供了选择。

然而,基于金属和半导体材料的传统电子皮肤触觉传感器,由于柔韧性和可穿戴性差,已经难以满足实际使用中对拉伸性、便携性的要求。得益于柔性材料、制造工艺和传感技术的快速发展,近年来聚乳酸、银纳米线、石墨烯等新材料被用于制备或支撑电子皮肤传感器,使电子皮肤在性能上更趋于人类皮肤。

在这样的基础上,现在,研究人员将电子皮肤朝人类皮肤又推进了一步。来自斯坦福大学的研究人员称,他们已经开发出了可以被拉伸、折叠、弯曲、扭曲而不损害其工作能力的可拉伸电路。简言之,这种电路每次被拉伸后都能恢复到原来的形状。

该小组已在其发表的研究上,描述了他们如何使用建造固体硅芯片的同一类型的设备,在类似胶皮的材料上打印出可拉伸和耐用的集成电路。在这种方式下,研究人员能够将超过4万个晶体管挤进一平方厘米的可拉伸电路,他们相信,他们将很快把一平方厘米上的晶体管数量增加一倍。

研究人员认为,这种突破性的构造方法将弹性晶体管的密度提高了100多倍的同时保持了晶体管的优良均匀性,该材料也没有牺牲任何电子或机械性能来获得其灵活性。这一突破可以使这种新材料通过将目前制造刚性电路的代工厂改为生产柔性电路的工厂而轻松实现商业化。

此次研究的柔性材料除了将包含足够的晶体管,以创建简单的电路,用于诸如皮肤上的传感器、身体规模的网络、可植入的电子器件,以及可能更多的功能。其最大好处是,他们的柔性电路可以使用光刻技术来构建,使用紫外线将具体的电活性几何图案逐层转移到固体基材上。

毋庸置疑,集成柔性传感器(人体生理信号监测)和柔性印刷电路板(信号调节/读出和无线传输)的人体区域传感网络,是可穿戴设备一个热门的研究方向。

然而,其器件的制造需要依赖于各种复杂的制造方法,例如光刻或印刷。可穿戴电子不是我们戴在手腕上每日计步的装置所能比。对于真正基于皮肤的感受性而言,需要和皮肤长时间密切接触,那些刚性脆弱的商业装置还无法实现这一点。而这给材料科学家带来了一系列有趣的挑战。无论研究人员尝试什么方法,未来的人们都将走向一个更具科幻感的世界。