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三層電路貼在皮膚上,延展度 800%!這款「電子刺青」還能控制機器手
作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 12 日 0:00 |
聽過「電子紋身」(Electronic Tattoo)嗎?早在 2013 年,Motorola 高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出看似普通紋身貼紙的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是行動式智慧設備,可惜並未多展示充滿未來感的那面。
2016 年 YouTube 一支影片,幾位生物駭客展示將電子設備植入皮下的過程──設備差不多硬幣大小,由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管(SMD LED)組成,由矽膠包裹,一塊 3 伏特電池供電。
設備植入並受磁鐵觸發後,LED 燈會發光,皮膚會出現一朵梅花。
如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞,那就錯了。
2018 年,美國卡內基美隆大學的科學家就將電子紋身寫進論文,用液態金屬合金塗覆銀奈米顆粒,兩者融合後形成電路,經過印刷,紋身就可輕鬆轉移到皮膚,且導電性也很高。
當時參與研究的卡內基美隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示:這是電子印刷領域的突破。
就在最近,中國科學家也聯合打造出電子紋身。
2021 年 1 月 13 日,論文發表於《科學》雜誌子刊《科學─進展》,題為「Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect」(可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身)。
論文作者來自南方科技大學(深圳灣實驗室生物醫學工程研究所)、首都醫科大學生物醫學工程學院及中國科學院大學國家奈米科學技術中心。
什麼是「電子紋身」?
看過前文,大概能對電子紋身下個定義:「能直接貼在皮膚上的超薄電路」。電子紋身可隨著皮膚狀態任意拉伸彎曲,可說是穿戴式設備的最高境界了。運作原理是 NFC(Near Field Communication,近距離無線通訊),能讓設備靠近時交換數據的技術。
NFC 是在 RFID(無線射頻身分辨識)技術的基礎上結合無線連接技術研發而成,日常場景也為各類電子產品提供安全快捷的通訊支援。行動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集合的背後,都離不開 NFC──轉到電子紋身,NFC 可確保訊號傳遞。
其實電子紋身有很多用途,如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。作者也提到:「電子紋身在皮膚健康和運動感測有很大潛力。」
然而電子紋身目前問題是:固形性、黏性和多層性等特性不能並存,是研究人員設計新型電子紋身的起因。
多層電子傳遞紋身
研究人員設計出「多層電子傳遞紋身」,即 multilayered electronic transfer tattoo(下稱 METT)。
為了組成多層電路模板,科學家用到兩種材料,一是金屬聚合物導體(metal-polymer conductors),二是彈性體嵌段共聚物(elastomeric block copolymer)。
METT 共有 3 層:
黏合層(adhesive layer):很薄(~8μm)的壓敏膠,受外部壓力時,黏合層使 METT 與皮膚緊密附著。
釋放層(release layer):矽酮膜,主要目的是便於電路模板從釋放膜剝離。
兩者間的電路模組:含 3 層電路,每層都嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯─丁二烯─苯乙烯(SBS)薄膜(~14μm)。
第一、二層電路上有應變感測器,數量分別為 11 和 4,第三層電路上有一個加熱器。
由於金屬─聚合物導體(metal-polymer conductor)有良好延展、可重複性,因此可用作應變感測器。
如下圖 A、B 所示,基於金屬─聚合物導體的應變感測器電阻,隨著拉伸應變增加而增加,METT 甚至可容易拉伸到 800%,遠遠超過皮膚最大變形度。
METT 可用於溫度調節、運動監測和機器人遠端控制,具高延展性(800%)、固形性和黏性,可做到摺痕放大效果,因而能將聚集應變感測器的輸出訊號放大 3 倍。事實證明,無需任何溶劑或加熱,METT 就能在不同表面牢牢附著。
遠端控制機器手臂
不僅如此,為了展示新型電子紋身的可擴展性,科學家更製造出 7 層 METT,當成可拉伸加熱器。
上圖 A 是 7 層加熱器俯視圖,每個電路層都包含一個基於金屬─聚合物導體的加熱器,兩端有 2 個連接點,用於與其他層加熱器形成垂直電連接。因此,7 個加熱器就以串聯方式連接電源。
上圖 B 展示不同層基於金屬─聚合物導體的加熱器,透過連接點形成的電連接。
論文介紹,除連接點外,金屬─聚合物導體透過 SBS 形成良好電絕緣,熱成像時未發現短路。研究結論之一是,隨著層數增加,紋身的順應性隨厚度增加而降低,兩層電子紋身足以滿足大多數功能。
科學家將 METT 實際應用──透過手指彎曲發出的訊號放大,透過藍牙傳輸到機器手臂,因此 METT 能遠端控制機器手臂,模仿人手動作時也不會出現異常震動。
論文表示,團隊已透過 2 層 METT 做到以 6 個自由度遠端控制機器手,透過 3 層 METT 以 15 個自由度遠端控制機器手。
可肯定的是,未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴式機器人方面有巨大潛力。
附圖:▲ 蘋果手機上的 NFC 功能。
▲ 科學家測試 METT 應變感測器的機電性能。
資料來源:https://technews.tw/2021/02/12/multilayered-electronic-transfer-tattoo/
行動電源電路板 在 國立陽明交通大學電子工程學系及電子研究所 Facebook 的最讚貼文
交大電子研究所陳柏宏老師研發出—無電池系統設計*能滿足多元應用需求*
過去幾年物聯網裝置以不可思議的速度成長,對人類生活帶來極大便利性。對於部署於特定位置的物聯網裝置,儘管裝置本身已有省電設計,但因部署位置難以更換電池,因此發展可從外部能源獲取電力的無電池物聯網裝置,成為全球積極投入的研發方向。
目前無電池物聯網裝置使用的外部能源,大致上可分成太陽能、溫差、震動,以及透過無線傳能等方式,搭配專屬的能源管理晶片,即可提供物聯網裝置適當的能源。在前述各種環境能源中,目前以太陽能發電最為成熟,除有光能取得容易的優點外,也有發電功率密度較高,可獲得較大能量的特性。溫度差發電雖然可獲得的能量較低,但適合運用於人體生理信號的感測,能量來源最終取決於應用模式與場景。
交通大學電子研究所教授陳柏宏說,採用無電池設計的感測裝置,除本身必須採用低功耗設計之外,也需屬於傳輸資料少、時間短的感測裝置。唯有如此,才能在絕大部分時間透過太陽能、溫差進行充電,並以低耗電狀態進行偵測和資料儲存,並於符合條件狀態下,於極短時間運用大電力傳輸資料。
*** 平時儲存能源,重要時刻發送資料
無電池的物聯網裝置運用範圍非常廣泛,以物流管理為例,若倉儲本身照明設備提供足夠光源,加上物品標籤採用對應的設計,平時就藉由吸收能源記錄商品的保存狀況與內容資訊,並儲存多餘能源,當能量足夠後,可將完整產品資訊傳送至伺服器,有助於大幅提升物流管理效率與發貨速度。
另外,為掌握洗腎病人的健康狀況,目前亦有研發團隊將感測元件與軟性電路板整合,可貼在病人的手臂上。如此一來,只需搭配具備無線充電功能的手環,即可收集病人的健康狀況,對於後續精準治療將帶來極大幫助,也為智慧醫療帶來更多元的想像。
陳柏宏指出,以往受限於技術上限制,若要確保病人身上的健康偵測裝置能24小時運作,不是因內建電池導致產品體積過大,就是得定時為裝置進行充電,即便現在有小型行動電源可使用,仍然會讓病人感到非常不便。現在將感測元件與軟性電路板整合之後,幾乎讓病人感覺不到偵測裝置的存在,即便搭配無線充電功能的手環,也不會影響到日常生活,可順利收集24小時以上的生理資訊,對於改善洗腎病人生活有極大幫助。
除無電池設計之外,能源擷取技術亦可搭配充電電池,實現混合式供電架構。物聯網裝置平時可透過外部能源運作,並為電池進行充電,當外部能源不足時,則可改由內部電池供電,此舉也能有效延長電池使用時間。
儘管前述案例都尚處於技術驗證階段,未來若能進入商業化應用,將可解決物聯網裝置的電源供應問題,可望擴大物聯網應用範疇,為人類創造更棒的智慧生活。
訊息來源
DIGITIMES企劃 https://www.digitimes.com.tw/tech/dt/n/shwnws.asp?id=0000595825_V0099LCY11RGXC687IHK7
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