舒適親膚還防汗，受「剪紙藝術」「面板毛孔」啟發，MIT科學家成功研發新型智慧面板

2021-07-08 03:03:18

大資料文摘授權轉載自學術頭條

撰文：吳婷婷

編審：寇建超

如今，使用可穿戴裝置實時監測身體健康狀況，已經逐漸成為日常生活的標配，比如各種手環手錶，以及面板貼片等趨於微小體積的產品或技術。

然而，就面板貼片而言，有一個始終難以攻克的難題 —— 無法為人們提供如真實面板那樣活動自如、無異物感以及不會輕易脫落的體驗。此外，為了進行可靠的身體健康監測，電子面板和人體面板接觸的界層必須完好無損。因此，在動輒就汗水淋漓的炎炎夏日，如何使面板貼片具備防汗功能以防止損壞，是科學家們一直在思考的問題。

近日，麻省理工學院機械工程副教授 Jeehwan Kim 團隊及其合作者，就共同開發出了一款防汗「電子面板」，這是一種內嵌感測器的粘性貼片，其上巧妙分佈著類似人體的「毛孔」，不僅舒適親膚，而且即使佩戴者出汗，也不會出現故障或從面板上脫落。該設計能夠作為舒適的可穿戴裝置，更加有效地監測人們的健康狀況，比如面板癌等。

相關研究論文以「Long-term reliable physical health monitoring by sweat pore–inspired perforated electronic skins」為題，於近日發表在科學期刊 Science Advances 上。

（來源：Science Advances）

「智慧面板」真有這麼厲害？

防汗，那跑步時大汗淋漓也不會脫落，或是影響監測資料嗎？貼膚、無異物感，那活動某些部位時也毫無影響嗎？

別說，還真有這麼厲害 —— 先來看看試驗結果吧：

試驗中，研究人員將這款全新的電子面板貼在志願者的手腕和前額上進行測試，並讓志願者連續佩戴該裝置超過一週。在此期間，智慧貼片能夠有效地測量出受試者的體溫、水分含量、紫外線照射和脈搏。而且，為了測試其防汗效果，受試者進行了跑步 30 分鐘、吃辛辣食物並大量出汗的嘗試，結果貼片紋絲不動，其監測效能也未受影響。

圖 | 受試者貼上傳統貼片（紅色）和此次的新電子面板（藍色），大量出汗後二者效能的對比（來源：該論文）

該團隊的這一設計也已證實非常貼合面板：將電子面板貼在志願者的額頭上，讓他們反覆皺眉或是大汗淋漓，也沒有出現起皺、剝離和鬆弛情況。而對照組的其他電子面板設計則缺乏汗水滲透性，容易從面板上脫落。

人造毛孔：不僅透氣，還能透汗

那麼問題來了，這是如何做到的呢？

實際上，Kim 的團隊一直致力於創新柔性半導體薄膜材料。早在去年 2 月，他帶領的團隊就研發了一種被稱為遠端外延（remote epitaxy）的技術，使用該技術，讓晶片在高溫下生長出超薄、高質量的半導體薄膜，研究人員就可以將這些薄膜組合堆疊起來，形成比基於傳統晶片更薄、更靈活的薄膜感測器。

此次，他們就嘗試使用種技術製造出超薄可穿戴貼片，但很快就遇到了其他電子面板設計尚未清除的障礙：汗液。正如 Kim 所說：「一旦汗液積聚在電子貼片和人體面板之間無法滲透出來，可能會導致面板損傷和感測器故障。」因此，如果要使電子面板長期可持續性地發揮作用，就不僅要透氣，還要能透汗。

而後，研究人員仔細研究了人體毛孔並從其中獲得了靈感。他們發現，毛孔的平均直徑約為 100 微米，並且隨機分佈在面板上。論文第一作者、MIT 博士後 Hanwool Yeon 表示：「我們的想法很簡單，如果能夠在電子面板中提供人造「汗管」併為汗液製作高滲透性路徑，就可能實現長期監測的功能。」

於是，他們從模仿人體面板入手，在貼片上蝕刻出一個個與人毛孔一樣大的「人造毛孔」，同時，他們發現，當孔隙間隔很近、距離小於平均孔隙直徑時，整個系統將更加有效地滲透汗水。

圖 | 電子貼片共分為四層，前三層為銅（Au）與聚醯亞胺 (PI) 互連封裝的電子模組，其中內嵌了溫度、紫外線等多種感測器，最後一層為聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 粘合劑。每一層都被打孔，形成人造「毛孔」以防止汗液滯留在感應區。（來源：該論文）

讓「人造的」像「天生的」一樣貼合

不過這樣一來，新的問題產生了：如果將這種簡單的孔圖案刻蝕在薄膜上，薄膜的伸縮延展性會降低，而且貼在面板上時很容易破裂。此時，剪紙藝術就派上了用場。

「如果你把一張紙包在一個球上，它肯定不會很貼合，」Kim 說，「但如果你參考剪紙圖案，在紙上剪出一些形狀，它就能夠更加貼合。所以我們想，為什麼不把孔用一些極細通道連線起來，讓人造面板像剪紙一樣貼合住真實面板？」

圖 | 「連孔成線」之後，啞鈴狀的通道更透汗

遵循這一基本原理，該團隊在薄膜上蝕刻出有呈啞鈴形狀分佈的「毛孔」（即在每個孔之間「剪」出一條通道），就會產生像剪紙般可拉伸的效果。其中內嵌的超薄半導體感測器陣列，則用於實時監測溫度、水合作用、紫外線照射和機械應變等資料。

如此一來，電子面板就像人的面板一樣，非常有彈性、柔軟、還可滲透汗水。

圖 | 精心雕刻後的薄膜不僅佈滿「毛孔」，延展靈活性也大大提高（來源：EurekAlert!）

未來，Kim 團隊還計劃繼續提高這款「智慧面板」的強度和耐用性。雖然該貼片既能滲透汗水又高度貼合面板，但由於其類似於剪紙的圖案，加上材料的超薄特點，使其在受到摩擦時顯得非常脆弱。比如在前面的試驗中，志願者不得不在貼片周圍戴上一個「保護殼」，以免在淋浴或其他可能摩擦面板的情況下損壞它。

即便如此，這款防汗貼片或將是可持續性智慧面板研究的又一次向前邁進。

參考資料：

https://advances.sciencemag.org/content/7/27/eabg8459

https://news.mit.edu/2020/flexible-electronics-stacks-chips-0205

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-06/miot-ss062621.php

https://youtu.be/5h6ER9RYazc

舒適親膚還防汗，受「剪紙藝術」「面板毛孔」啟發，MIT科學家成功研發新型智慧面板

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