可自我修復，可回收和可重構的液態金屬可穿戴電子皮膚

可自我修復，可回收和可重構的液態金屬可穿戴電子皮膚

同濟大學航空航天工程與應用力學學院，美國科羅拉多大學博爾德分校與北京航空航天大學材料科學與工程學院聯合科研團隊研究人員正在開發一種"真正可穿戴"的可穿戴電子設備，這是一種受人體皮膚啟發並粘在皮膚上的可拉伸且可完全回收的電路板。

人在手腕上佩戴"電子皮膚"設備。

在今天發表在《Science Advances》雜誌上的論文("Heterogeneous integration of rigid, soft, and liquid materials for self-healable, recyclable, and reconfigurable wearable electronics")中描述了其新的"電子皮膚" 。該設備可以自我修復，就像真正的皮膚一樣。它還可以可靠地執行一系列感官任務，從測量用戶的體溫到跟蹤他們的日常步數。而且它是可重新配置的，這意味著該設備可以調整為適合您身體任何位置的形狀。

研究人員希望他們的創造將有助於重新構想可穿戴設備的功能。有一天，這樣的高科技皮膚可以使人們收集有關其身體的準確數據，同時減少世界上日益增加的電子廢物數量。

研究者之一張煒教授說："智能手錶在功能上不錯，但它們始終看起來像是一大塊金屬綁帶一樣。" "如果我們想要一個真正可穿戴的設備，理想情況下它將是可以舒適地貼合您的身體的薄膜。"

多功能可穿戴電子設備總體設計

新的"電子皮膚"設備可以在任何方向上拉伸60％，而不會失去任何功能。

多功能可穿戴電子設備包含三個傳感模塊：（i）由運算放大器和電阻器實現的ECG傳感器，（ii）用於體溫傳感的溫度計傳感器，以及（iii）用於聲學和運動傳感的加速度計（圖1A）。圖1B提供了該設計示意圖的分解圖，其中包括共晶鎵-銦（EGaIn）LM合金，以及封裝在兩個薄彈性聚亞胺膜之間的商用小型晶片組件。LM用作晶片之間的電氣互連，每個晶片的引腳都精確地安裝到有圖案的LM接觸墊上，類似於PCB，但無需焊接（圖S1，B和C）。在這種情況下，該設備包括12個晶片組件，其規格匯總在表S1中。這款多功能可穿戴電子設備中的LM電路可提供出色的電導率（3.4×10 6 S / m）（48）和卓越的固有機械柔軟性和變形性，因此該設備在貼附到人體皮膚上時會被弄皺（圖1C，左上），彎曲（圖1C，右上），扭曲（圖1C，左下） ，並拉伸（圖1C，右下）。

圖1 高度可拉伸，可自我修復和可回收的多功能可穿戴電子設備的設計和示意圖。

（A）安裝在手上的多功能可穿戴電子系統的示意圖，該系統集成了ECG，聲學，運動和溫度感應功能。（B）多功能可穿戴電子設備的分解圖。（C）多功能設備的光學圖像在皮膚上起皺，彎曲，扭曲和伸展。（D）動態共價熱固性聚亞胺的示意圖：聚合和解聚以及鍵交換反應引起的鍵斷裂和重整。（E）多功能可穿戴電子設備的自我修復和回收的示意圖。

其中此可穿戴電子設備中的可拉伸基材，絕緣膜和封裝膜由聚亞胺製成，可以使用三種市售單體合成：對苯二甲醛，3,3'-二氨基-N-甲基二丙胺和三（2-氨基乙基）胺（圖S2A）。

多功能可穿戴電子設備設計與製造

多功能可穿戴電子設備集成了熱傳感器（MCP9700，Microchip Technology），三軸加速計（ADXL335，Analog Devices Inc.）和ECG傳感器（AD8505，Analog Devices Inc. and Resistors，Bourns Inc.），因此可以如圖2（B到E）所示，它提供了對體溫，體育活動和健康狀況的實時監控，還可以用作人機界面。多功能可穿戴電子設備可以戴在手腕上，以監控身體活動，如圖2B所示。它可以檢測步行，奔跑和跳躍的不同幅度和頻率。熱傳感器可以在不同的環境和不同的身體位置提供準確的體溫測量。

圖2 多功能可穿戴電子設備的製造過程和傳感性能

（A）多功能可穿戴電子設備的製造過程示意圖。（B）佩戴在手腕上的多功能設備的運動跟蹤性能。（C）使用安裝在前額（頂部）上的可穿戴電子設備獲得的室內和室外人體溫度，以及將可穿戴電子設備安裝在不同位置（底部）時測量的室內溫度的比較。（D）使用安裝在脖子上的可穿戴電子設備獲取的聲學數據。（E）當參與者處於靜止狀態（頂部），運動13秒（中間）和34秒（底部）後，使用可穿戴電子設備獲取的ECG數據。

多功能可穿戴電子設備的製造在圖2A中示意性地示出。首先將矽紙掩模安裝到合成的聚亞胺膜基材上。採用絲網印刷方法，將EGaIn LM刷在掩模上，然後從掩模上剝離在聚亞胺基板上留下圖案化的LM跡線。在LM走線的每個交叉點處，添加一個聚亞胺絕緣層。然後，使用LM接觸墊將晶片組件拾放到預先設計的位置。將未固化的聚亞胺溶液塗覆並固化到器件上，可以為LM電路和晶片組件提供封裝和保護。該過程成本非常低，並且與列印技術兼容。

液態金屬可拉伸電路

長期以來，那些薄而舒適的電影一直是科幻小說的主要內容。終結者電影系列中的阿諾·施瓦辛格臉上的皮膚脫落。張說："我們的研究有點朝這個方向發展，但是我們還有很長的路要走。"

但是，他的團隊的目標既是機器人又是人類。研究人員此前曾在2018年描述過他們針對電子皮膚的設計。但是他們最新的技術版本對該概念進行了很多改進-首先，它的彈性更大，更不用說功能了。

為了製造彈力產品，研究人員使用絲網印刷來創建液態金屬絲網絡。然後，它們將這些電路夾在兩層薄膜之間，這兩層薄膜是由一種稱為聚亞胺的高度柔性和自愈材料製成的。

所產生的裝置比創可貼稍厚，可以加熱到皮膚上。該團隊報告說，它還可以在任何方向上伸展60％，而不會破壞內部的電子設備。肖說："它確實具有延展性，它提供了許多以前無法選擇的可能性。"

團隊的電子皮膚可以完成很多與Fitbits等流行的可穿戴健身設備相同的功能：可靠地測量身體的暫時性，心律，運動模式等。

用戶在腳踝上佩戴"電子皮膚"設備。可以在任何方向上拉伸60％，而不會失去其功能。

為了確保可穿戴電子設備具有出色的可拉伸性，彈性聚合物基材和高度可拉伸的導體都是必不可少的。對於導體，因為LM是液體並且可以流動，所以它不會增加可穿戴設備的剛度，並且可以為電子系統提供出色的可變形性。LM導體可以拉伸多少受聚合物封裝的限制。如圖所示。S6A，由聚亞胺封裝的LM導體可拉伸約200％。與基於蛇形金屬絲狀互連或彎曲弧形橋的可拉伸導體相比，LM電路沒有疲勞問題，封裝不影響機械性能，且有在剛性片狀元件和軟質基板之間的界面的導體沒有應力集中。此外，LM互連在機械幹擾下堅固耐用且可靠。當除去機械力時，經過反覆摩擦和擠壓的聚亞胺封裝的LM導體的電阻恢復到原始值。LM電路的這些特性可在多功能可穿戴電子設備中提供出色的機械拉伸性，堅固性和可靠性。

圖3 多功能可穿戴電子設備可拉伸性的計算和實驗研究。

（A）未變形設備的光學圖像（左）和用於仿真的FEA模型（右）。多功能可穿戴電子設備的光學圖像和最大主應變輪廓沿垂直方向（B）單軸拉伸60％，沿水平方向（C）單軸拉伸，而雙軸拉伸30％（D）。（E）同一設備在不同變形模式下的心電圖數據。

自修復能力

除了優異的機械性能外，聚亞胺基體中的LM電路還為多功能可穿戴電子產品提供了出色的自修復能力。如圖4A所示，當通過剃鬚刀（頂部框架）將LM電路切斷時，ECG信號將丟失（圖4B頂部）。圖4A的頂部插圖顯示了折斷的LM導體的放大圖。輕按切割位置的兩側後，LM導體將自愈，並且ECG傳感器恢復了感測能力（圖4B，）。設備自愈13分鐘後，切口在視覺上是不可見的（圖4A，中間），甚至在光學顯微鏡下，如插圖所示。經過48小時的自我修復後，界面處的鍵交換反應導致足夠的共價鍵重新形成和有效的界面癒合。癒合界面的機械強度與原始聚亞胺相當，如圖1所示的自癒合LM導體的拉伸測試結果所示。S6A。因此，可以將自愈的多功能可穿戴電子設備拉伸60％（圖4A，底部），並且感測性能不受影響。

圖4 多功能可穿戴電子設備的自我修復和回收。

（A）在自愈過程中多功能設備的光學圖像。插圖顯示了在不同自我修復階段的切口的光學顯微鏡圖像。（B）切割和自我修復期間的ECG數據（頂部）以及自我修復48小時後將設備拉伸60％時的ECG數據。（C）多功能設備在回收過程中的光學圖像。（D）使用回收設備測量的運動跟蹤數據。比較原始和自修復多功能設備（E）以及原始和回收多功能設備（F）之間的應力-應變曲線。

可回收

肖建良說："我們對電子垃圾的解決方案是從製造設備的方式開始的，而不是從終點開始，或者從何時開始丟棄。" "我們需要一種易於回收的設備。"如果切片一塊電子皮膚，您要做的就是將破裂的區域捏在一起。在幾分鐘之內，將聚亞胺材料結合在一起的鍵將開始重整。在13分鐘內，損壞將幾乎完全無法檢測到。

多功能可穿戴電子設備的重新配置。

（A）多功能電子設備的第一（左），第二（中）和第三（右）配置處於扁平狀態（頂部），並且戴在手腕，腳踝和脖子上（底部）時。多功能設備在第二配置（C）中拉伸45％以及在第三配置（D）中拉伸112％時的FEA模型（B）和最大主應變輪廓。（E）使用多功能可穿戴設備以其第一配置（在手腕上）獲得的ECG數據。（F）使用相同設備以其第二配置（在腳踝上）獲得的運動跟蹤數據。（G）使用同一設備的第三種配置（在脖子上）獲得的聲學數據。（H）在第一（在手腕上），第二（在腳腕上）和第三（在脖子上）配置中使用同一可穿戴設備的體溫測量結果的比較。

肖建良補充說，該項目還代表了一種製造電子產品的新方法-對地球來說可能會更好。據估計，到2021年，人​類將生產超過5500萬噸的廢棄智慧型手機，筆記本電腦和其他電子產品。

但是，他的團隊的可伸縮設備旨在跳過垃圾填埋場。如果將這些貼片之一浸入回收溶液中，則聚亞胺會解聚或分離成其組成分子，而電子組件會沉到底部。電子設備和彈性材料都可以重複使用。

團隊的電子皮膚距離能夠與真實事物競爭的路很遠。目前，這些設備仍需要連接到外部電源才能工作。但是研究表明，人造人皮膚很快就會成為未來的時尚潮流。

成果總結：

1、本文展示了一種高度可伸縮，可自我修復，可回收和可重新配置的多功能可穿戴電子系統，該系統可提供物理運動跟蹤，體溫監測以及聲學和ECG信號感測。

2、可穿戴電子設備是通過使用LM電路將高性能，現成的晶片組件電互連並封裝在動態共價熱固性聚亞胺基體中來實現的。可穿戴電子設備可以在水平和垂直方向上單軸拉伸60％，在軸向上雙軸拉伸30％，而不會影響電傳感性能。

3、通過聚亞胺網絡中的鍵交換反應和LM電路的流動特性，穿戴式電子設備可以自我修復，並且可以針對不同的應用場景重新配置為不同的配置。當嚴重損壞或不再需要時，可穿戴電子設備可以完全回收，導致低聚物/單體溶解在甲醇中，並且晶片組件和LM可以從溶液中分離出來。回收的解決方案，晶片組件和LM可以重複使用，以製造新一代的材料和設備。

這項工作將在許多領域得到廣泛應用，包括醫療保健，假肢，機器人技術和人機界面，並且晶片組件和LM可以重複使用，更環保地製造新一代的電子材料和設備。

原文連結 DOI: 10.1126/sciadv.abd0202