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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。

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。

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