三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子紋身」還能控制機械手
你聽説過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？
早在 2013 年，摩托羅拉高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出了一個看上去類似於普通紋身貼的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是一種移動式智能設備，可惜並未過多展示它充滿未來感的那一面。
2016 年 YouTube 上的一段視頻中，幾位生物黑客展示了將電子設備植入皮下的過程——設備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管（SMD LED）組成，被硅膠包裹着，由一塊 3 伏的電池供電。
設備植入並受磁鐵激活後，LED 燈會發光，皮膚上則顯現出一朵梅花，這紋身可以説是太硬核了，硬核得有點兒肉疼。
如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。
2018 年，美國卡內基·梅隆大學的科學家們就已將電子紋身寫進了論文——他們用液態金屬合金塗覆銀納米顆粒，二者融合後形成這些電路，經過印刷，紋身就可輕鬆地轉移到皮膚上，並且導電性也很高。
當時參與這項研究的卡內基·梅隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：
這是電子印刷領域的突破。
而就在最近，中國科學家們也聯合打造了一款電子紋身。
2021 年 1 月 13 日，相關論文正式發表於《科學》雜誌子刊《科學-進展》，題為 Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect（可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。
論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫學工程研究所）、首都醫科大學生物醫學工程學院以及中國科學院大學國家納米科學技術中心。
通過上文介紹，我們大概已經能對電子紋身下一個定義了：一種能直接貼在皮膚上的超薄電路。
電子紋身可以隨着皮膚的狀態實現任意的拉伸和彎曲，可謂是可穿戴設備的最高境界了。
據悉，其工作原理是 NFC（Near Field Communication，近場通信），一種能讓設備在彼此靠近時進行數據交換的技術。
NFC 這項技術是在 RFID（非接觸式射頻識別）技術的基礎上結合無線互連技術研發而成，日常場景中這項技術也為各類電子產品提供了安全快捷的通信支撐。移動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集成的背後，都離不開 NFC——具體到電子紋身上，NFC 則保證了信號的傳遞。
【蘋果手機上的 NFC 功能】
其實電子紋身可以有很多種用途，例如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。
論文中作者也有提到：
電子紋身在皮膚健康和運動感應方面有着很大的潛力。
然而，電子紋身目前存在的問題是：保形性、粘性和多層性等特性並不能同時存在，這便是研究人員設計新型電子紋身的動因。
多層電子傳遞紋身研究人員設計出了一種「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下文簡稱為 METT）。
為了組成多層電路模塊，科學家們用到了兩種材料，一是金屬聚合物導體（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，當收到外部壓力時，粘合層使得 METT 與皮膚緊密附着。
釋放層（release layer）：一種硅酮膜，主要目的是便於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體的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）薄膜（~14 μm）。
據悉，第一、二層電路上分佈有應變傳感器，數量分別為 11 和 4，而第三層電路上有 1 個加熱器。
科學家們測試了 METT 中應變傳感器的機電性能。
由於金屬-聚合物導體（metal-polymer conductor）有着良好的拉伸性、可重複性，因此可被用作應變傳感器。
如下圖 A、B 所示，基於金屬-聚合物導體的應變傳感器的電阻隨着拉伸應變的增加而增加，METT 甚至可以很容易地拉伸到 800％ 的程度，這遠遠超過了皮膚的最大變形。
整體上，METT 可用於温度調節、運動監測和機器人遠程控制，具有高延展性（800%）、保形性和粘性，可實現將摺痕放大的效果，因而能將集成應變傳感器的輸出信號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或者加熱，METT 就能在不同的表面牢牢附着。
遠程控制機械手
不僅如此，為了展示這種新型電子紋身的可擴展性，科學家們更是製造了一個 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，每個電路層都包含一個基於金屬-聚合物導體的加熱器，兩端有兩個連接點，用於與其他層中的加熱器形成垂直電連接——因此，7 個加熱器就以串聯的方式連接到了電源。
上圖 B 展示的則是不同層中基於金屬-聚合物導體的加熱器通過連接點形成的電連接的圖像。
論文介紹，除連接點外，金屬-聚合物導體通過 SBS 形成了良好的電絕緣，在熱圖像中未發現短路。
研究得出的一個結論是，隨着層數增加，紋身的順應性隨着厚度的增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數功能。
實驗中，科學家們將 METT 進行了實際應用——通過手指彎曲發出的信號被放大，通過藍牙傳輸到了機械手，因此 METT 能遠程控制機械手，機械手在模仿我們手的動作時也不會出現異常的振動。
論文表示，團隊已經通過 2 層 METT 實現了以 6 個自由度遠程控制機械手、通過 3 層 METT 實現了以 15 個自由度遠程控制機械手。
可以肯定的是，未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴機器人方面具有巨大潛力。
引用來源：
https://techcrunch.com/2018/11/14/these-temporary-electronic-tattoos-could-redefine-wearables/
https://advances.sciencemag.org/content/7/3/eabe3778
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