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斯坦福皮肤般柔软的柔性电极,让可穿戴设备摆脱僵硬电路的痛苦

核心提示:近日,鲍哲南教授在《科学进展》杂志上发表了他们最新的成果。论文描述了一种脆性塑料,可以通过化学方法让它向橡皮筋一样弯曲,并且略微提高了它的导电性。结果就是一个柔软而灵活的电极,与我们柔软、脆弱的神经非常契合,也就是说,这样的电路在我们的体表,我们皮肤的神经不会感到很不舒服。

可穿戴设备越来越多地渗透到我们的生活当中,这些智能设备离不开电路的支撑。可是如果这些贴身的设备当中,藏着一根根僵硬的电路,使用起来的舒适度就会大打折扣。

化学工程师鲍哲南教授正在试图改变这种状况。对于这种状况,选择柔性电极是一个很自然而然的思路。

十多年来,她的实验室一直想致力于让电子产品变得更加柔软灵活,就像人体的第二层皮肤。他们想让脆性塑料变得导电性更好、更有弹性。

近日,鲍哲南教授在《科学进展》杂志上发表了他们最新的成果。论文描述了一种脆性塑料,可以通过化学方法让它向橡皮筋一样弯曲,并且略微提高了它的导电性。结果就是一个柔软而灵活的电极,与我们柔软、脆弱的神经非常契合,也就是说,这样的电路在我们的体表,我们皮肤的神经不会感到很不舒服。

鲍哲南教授对这项成果感到非常激动:

    这种灵活的电极开辟许多新的可能性,比如说大脑接口( brain interfaces),以及其他植入式电子(implantable electronics)方面。

据新华社报道,鲍哲南在接受采访时说,现有的包括电极和材料在内的电子器件都是硬的,在测量中枢神经电流、心脏电流时,植入大脑或心脏的电极可能损坏神经或心脏组织。因此,跟神经接触的电极需要像皮肤一样柔软,这是柔性电子应用需要解决的重要问题。

 

这种材料可以像橡皮筋一样弯曲

目前,这种材料还是一种实验室原型。但是该团队希望长期关注这方面的进展,来创建对人体友好的更灵活的材料。

他们的实验过程自然也充满了波折。

为了创建这个灵活的电极,研究人员最初选中了一种塑料,它有两个基本特性:

高导电性和生物相容性,这意味着它可以安全地与人体接触。但这种塑料有一个致命的缺点,就是非常脆弱,拉伸5%就可以将其破坏。

为了保持导电率的同时增加灵活性,鲍哲南的团队曾与SLAC国家加速器实验室(SLAC National Accelerator Laboratory)合作,用一种特殊类型的X射线,在分子层面研究这种材料。补充一些化学的基本知识,所有的塑料都是高分子聚合物,也就说分子链会像珠子一样串在一起。

在这个实验当中,这种塑料是由两种不同的聚合物紧紧缠绕在一起组成。其中一个是导电体,另一个是实验当中必不可少的一种塑料。这两种聚合物结合在一起,创造了一种新的塑料,从外形上看是脆性、球状结构的链条。然而结果并不理想,这种材料导电,但是并不灵活。

此后,研究人员推测,如果他们可以找到合适的分子添加剂,分离这两个紧紧缠绕的化合物,他们就可以防止它们结晶,并且让这种塑料有更大的延展性。但是他们必须小心谨慎,因为添加材料后,导体的导电性通常会削弱其传输信号的能力。

在测试了20多种材料之后,他们终于找到了理想的材料。这是一种分子,类似于工业厨房当中的那种调制浓汤的添加剂。这种添加剂可以让脆弱而厚实的分子结构,变成有孔的鱼网链,可以拉伸、变形。

测试这种新材料时,他们很兴奋地发现,这种材料可以拉伸到原来长度的两倍。塑料即使拉伸到自然长度下的800%,导电性仍然非常良好。

“我们认为,如果我们在其中增加绝缘材料,最终的导电率将非常可怜,特别是当我们添加了这么多之后。”鲍哲南说。不过由于他们对调整分子组装的精确理解,最终做到了两全其美:既保证了尽可能高的导电率,同时又有弹性、韧性俱佳的材料。

鲍哲南团队在测试这种材料的弹性,用这种材料往机器人测试仪器的球面上逐渐下压,从图中可以这种材料弹性很高,而且几乎是透明的

实验室的一名博士后研究员王月(音译,Yue Wang)说,这种材料就像皮肤一样柔软。

此外,值得一提的是,这种材料特别轻,透光率也达到了96%。

据新华社报道,鲍哲南表示,下一步将会验证这种材料是否可以植入生物体,以及会不会对生物体造成损害。

相比于一些过于天马行空的实验室的设想,这项发明有着更明朗的应用场景。希望这项技术早日成熟落地,实现商业化。让我们的可穿戴设备早点摆脱僵硬电路的束缚。

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