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以高透气度、超弹性导电材料开发未来穿戴式电子设备

日期:2021/6/1 16:51:55 阅读:97

理大《励学利民》期刊2021年春季号




香港理工大学科研人员开发了一种崭新的可拉展导电材料,其透气度高、极具弹性而且导电性能优良,有助制造各种单片可拉展电子器件。由于能在细小的范围内结合多个部件,有关产品便可配备多项功能,而且适合长时间佩戴。物料可广泛应用于健康监测设备、软体机械人以及贴在皮肤上的电子装置。


时至今日,穿戴式电子技术如健身追踪器和智能手表皆随处可见;智能眼镜和生物识别衣物也日趋盛行;而电子皮肤与电子眼睛亦不再只是科幻小说中的发明。随著穿戴式技术产品的种类日渐增多,业内人士预料,穿戴式电子装置将会是继智能电话以后,另一个庞大市场。

可拉展式电子产品不断快速革新。基底层内置了电路板的设备可见於在医护行业使用的电子皮肤贴及植入装置。现时的可拉展电子仪器皆由不透气的弹性厚片制造,这排除了产品多层设计的可能性,也有碍进一步发展具备先进功能的器件。长时间佩戴低透气度的设备亦可能会引致皮肤敏感、发炎及其他健康问题。


新型导电体——高弹性、极透气


由理大纺织及服装学系郑子剑教授所领导,并由应用物理学系、生物医学工程学系跨学科科研人员组成的研究团队,在研发高透气、超弹性的导电材料方面,最近取得了技术突破。研究项目的结果 Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics 已于权威期刊 Nature Materials 上发表。

这种崭新的导电材料名为 "液态金属纤维毡" (liquid-metal fibre mat)。制作 "液态金属纤维毡" 有两个主要步骤:首先是以静电纺丝这个独特的制作方法,把液态金属涂抹或打印于具备天然橡胶弹性的纤维毡上;然后是反覆拉展已涂上液态金属的纤维毡,直至悬挂在弹性纤维毡之间的液态金属形成横向多孔、纵向弯曲的结构。

研究团队选择了使用共晶镓铟合金(EGaIn)作为 "液态金属纤维毡" 的导电原料,并打印在由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(poly(styrene-block-butadiene-blockstyrene),SBS) 制成的可拉展纤维毡上。

郑教授表示:"EGaIn 是一种普遍使用于软电子,例如可屈曲电路板上的液态金属。它在室温下仍能保持液体状态,且导电能力高、毒性低。当暴露在空气时,这种物质能在表面迅速形成薄薄一层氧化物(Ga2O3),使其保持一定形状。至于 SBS 则是一种通常用于手套、气球等橡胶产品的弹性物料。"

因此,"液态金属纤维毡" 具备超弹性和极高透气度。一个在实验室制作的样本显示,其透气度较平常使用的护理胶布高 22 倍。此外,经拉力测试后,物料仍可维持稳定的导电能力。当进一步在兔子皮肤上测试时,"液态金属纤维毡" 更展示出极佳的生物相容性,不会导致皮肤敏感。


以静电纺丝方法,把液态金属涂抹或打印于具备天然橡胶弹性的纤维毡上,

使完成后的 "液态金属纤维毡" 具弹性 (左),同时透气度高 (右)。



层叠设计——支持产品多功能发展


研究团队亦就多层 "液态金属纤维毡" 进行效能测试。研究人员利用"液态金属纤维毡"制成三片分别用以量度心电图、汗液和温度的传感器,并且把它们叠在一起使用。物料叠起三层后,总厚度仅约一毫米;而三个传感器均能有效运作。实验结果证明 "液态金属纤维毡" 能够堆叠使用,适用于生产多功能及供长时间穿戴的电子设备。

这个研究项目主要获得香江学者计划与香港研究资助局拨款支持。研究团队将继续改良 "液态金属纤维毡" 的性能,以支持研发新一代的健康监测仪、软体机械人、贴在皮肤上的电子装置以及义肢产品。团队会致力开发各种护理电子产品及系统,首要任务是生产穿戴式的心电图监测仪。



郑子剑教授 (前排) 及其研究团队成员 (左起) 纺织及服装学系

研究助理教授黄琪瑶博士、博士生庄秋娜女士、

生物医学工程学系助理教授赵昕博士和应用物理学系副教授柴扬博士