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斯坦福的柔性電極:讓可穿戴設備變得像皮膚一樣柔軟| 潮科技

可穿戴設備越來越多地滲透到我們的生活當中,這些智慧設備離不開電路的支撐。可是如果這些貼身的設備當中,藏著一根根僵硬的電路,使用起來的舒適度就會大打折扣。

化學工程師鮑哲南教授正在試圖改變這種狀況。對於這種狀況,選擇柔性電極是一個很自然自然的思路。

十多年來,她的實驗室一直想致力於讓電子產品變得更加柔軟靈活,就像人體的第二層皮膚。他們想讓脆性塑膠變得導電性更好、更有彈性。

近日,鮑哲南教授在《科學進展》雜誌上發表了他們最新的成果。論文描述了一種脆性塑膠,可以通過化學方法讓它向橡皮筋一樣彎曲,

並且略微提高了它的導電性。結果就是一個柔軟而靈活的電極,與我們柔軟、脆弱的神經非常契合,也就是說,這樣的電路在我們的體表,我們皮膚的神經不會感到很不舒服。

鮑哲南教授對這項成果感到非常激動:

這種靈活的電極開闢許多新的可能性,比如說大腦介面( brain interfaces),以及其他植入式電子(implantable electronics)方面。

據新華社報導,鮑哲南在接受採訪時說,現有的包括電極和材料在內的電子器件都是硬的,

在測量中樞神經電流、心臟電流時,植入大腦或心臟的電極可能損壞神經或心臟組織。因此,跟神經接觸的電極需要像皮膚一樣柔軟,這是柔性電子應用需要解決的重要問題。

這種材料可以像橡皮筋一樣彎曲

目前,這種材料還是一種實驗室原型。

但是該團隊希望長期關注這方面的進展,來創建對人體友好的更靈活的材料。

他們的實驗過程自然也充滿了波折。

為了創建這個靈活的電極,研究人員最初選中了一種塑膠,它有兩個基本特性:

高導電性和生物相容性,這意味著它可以安全地帶入與人體接觸。但這種塑膠有一個致命的缺點,就是非常脆弱,拉伸5%就可以將其破壞。

為了保持導電率的同時增加靈活性,

鮑哲南的團隊曾與SLAC國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory)合作,用一種特殊類型的X射線,在分子層面研究這種材料。補充一些化學的基本知識,所有的塑膠都是高分子聚合物,也就說分子鏈會像珠子一樣串在一起。

在這個實驗當中,這種塑膠是由兩種不同的聚合物緊緊纏繞在一起組成。其中一個是導電體,另一個是實驗當中必不可少的一種塑膠。這兩種聚合物結合在一起,

創造了一種新的塑膠,從外形上看是脆性、球狀結構的鏈條。然而結果並不理想,這種材料導電,但是並不靈活。

此後,研究人員推測,如果他們可以找到合適的分子添加劑,分離這兩個緊緊纏繞的化合物,他們就可以防止它們結晶,並且讓這種塑膠有更大的延展性。但是他們必須小心謹慎,因為添加材料後,導體的導電性通常會削弱其傳輸信號的能力。

在測試了20多種材料之後,他們終於找到了理想的材料。這是一種分子,類似于工業廚房當中的那種調製濃湯的添加劑。這種添加劑可以讓脆弱而厚實的分子結構,變成有孔的魚網鏈,可以拉伸、變形。

測試這種新材料時,他們很興奮地發現,這種材料可以拉伸到原來長度的兩倍。塑膠即使拉伸到自然長度下的800%,導電性仍然非常良好。

“我們認為,如果我們在其中增加絕緣材料,最終的導電率將非常可憐,特別是當我們添加了這麼多之後。”鮑哲南說。不過由於他們對調整分子組裝的精確理解,最終做到了兩全其美:既保證了盡可能高的導電率,同時又有彈性、韌性俱佳的材料。

鮑哲南團隊在測試這種材料的彈性,用這種材料往機器人測試儀器的球面上逐漸下壓,從圖中可以這種材料彈性很高,而且幾乎是透明的

實驗室的一名博士後研究員王月(音譯,Yue Wang)說,這種材料就像皮膚一樣柔軟。

此外,值得一提的是,這種材料特別輕,透光率也達到了96%。

據新華社報導,鮑哲南表示,下一步將會驗證這種材料是否可以植入生物體,以及會不會對生物體造成損害。

相比於一些過於天馬行空的實驗室的設想,這項發明有著更明朗的應用場景。希望這項技術早日成熟落地,實現商業化。讓我們的可穿戴設備早點擺脫僵硬電路的束縛。

他們終於找到了理想的材料。這是一種分子,類似于工業廚房當中的那種調製濃湯的添加劑。這種添加劑可以讓脆弱而厚實的分子結構,變成有孔的魚網鏈,可以拉伸、變形。

測試這種新材料時,他們很興奮地發現,這種材料可以拉伸到原來長度的兩倍。塑膠即使拉伸到自然長度下的800%,導電性仍然非常良好。

“我們認為,如果我們在其中增加絕緣材料,最終的導電率將非常可憐,特別是當我們添加了這麼多之後。”鮑哲南說。不過由於他們對調整分子組裝的精確理解,最終做到了兩全其美:既保證了盡可能高的導電率,同時又有彈性、韌性俱佳的材料。

鮑哲南團隊在測試這種材料的彈性,用這種材料往機器人測試儀器的球面上逐漸下壓,從圖中可以這種材料彈性很高,而且幾乎是透明的

實驗室的一名博士後研究員王月(音譯,Yue Wang)說,這種材料就像皮膚一樣柔軟。

此外,值得一提的是,這種材料特別輕,透光率也達到了96%。

據新華社報導,鮑哲南表示,下一步將會驗證這種材料是否可以植入生物體,以及會不會對生物體造成損害。

相比於一些過於天馬行空的實驗室的設想,這項發明有著更明朗的應用場景。希望這項技術早日成熟落地,實現商業化。讓我們的可穿戴設備早點擺脫僵硬電路的束縛。