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可穿戴設(shè)備越來(lái)越多地滲透到我們的生活當(dāng)中,這些智能設(shè)備離不開(kāi)電路的支撐?墒侨绻@些貼身的設(shè)備當(dāng)中,藏著一根根僵硬的電路,使用起來(lái)的舒適度就會(huì)大打折扣。
化學(xué)工程師鮑哲南教授正在試圖改變這種狀況。對(duì)于這種狀況,選擇柔性電極是一個(gè)很自然而然的思路。
十多年來(lái),她的實(shí)驗(yàn)室一直想致力于讓電子產(chǎn)品變得更加柔軟靈活,就像人體的第二層皮膚。他們想讓脆性塑料變得導(dǎo)電性更好、更有彈性。
近日,鮑哲南教授在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表了他們最新的成果。論文描述了一種脆性塑料,可以通過(guò)化學(xué)方法讓它向橡皮筋一樣彎曲,并且略微提高了它的導(dǎo)電性。結(jié)果就是一個(gè)柔軟而靈活的電極,與我們?nèi)彳洝⒋嗳醯纳窠?jīng)非常契合,也就是說(shuō),這樣的電路在我們的體表,我們皮膚的神經(jīng)不會(huì)感到很不舒服。
鮑哲南教授對(duì)這項(xiàng)成果感到非常激動(dòng):這種靈活的電極開(kāi)辟許多新的可能性,比如說(shuō)大腦接口( brain interfa其他植入式電子(implantable electronics)方面。
據(jù)新華社報(bào)道,鮑哲南在接受采訪時(shí)說(shuō),現(xiàn)有的包括電極和材料在內(nèi)的電子器件都是硬的,在測(cè)量中樞神經(jīng)電流、心臟電流時(shí),植入大腦或心臟的電極可能損壞神經(jīng)或心臟組織。因此,跟神經(jīng)接觸的電極需要像皮膚一樣柔軟,這是柔性電子應(yīng)用需要解決的重要問(wèn)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(shí)驗(yàn)室原型。但是該團(tuán)隊(duì)希望長(zhǎng)期關(guān)注這方面的進(jìn)展,來(lái)創(chuàng)建對(duì)人體友好的更靈活的材料。
他們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程自然也充滿了波折。
為了創(chuàng)建這個(gè)靈活的電極,研究人員最初選中了一種塑料,它有兩個(gè)基本特性:高導(dǎo)電性和生物相容性,這意味著它可以安全地與人體接觸。但這種塑料有一個(gè)致命的缺點(diǎn),就是非常脆弱,拉伸5%就可以將其破壞。
為了保持導(dǎo)電率的同時(shí)增加靈活性,鮑哲南的團(tuán)隊(duì)曾與SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC National Accelerator Laboratory)合作,用一種特殊類(lèi)型的X射線,在分子層面研究這種材料。補(bǔ)充一些化學(xué)的基本知識(shí),所有的塑料都是高分子聚合物,也就說(shuō)分子鏈會(huì)像珠子一樣串在一起。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中,這種塑料是由兩種不同的聚合物緊緊纏繞在一起組成。其中一個(gè)是導(dǎo)電體,另一個(gè)是實(shí)驗(yàn)當(dāng)中必不可少的一種塑料。這兩種聚合物結(jié)合在一起,創(chuàng)造了一種新的塑料,從外形上看是脆性、球狀結(jié)構(gòu)的鏈條。然而結(jié)果并不理想,這種材料導(dǎo)電,但是并不靈活。
此后,研究人員推測(cè),如果他們可以找到合適的分子添加劑,分離這兩個(gè)緊緊纏繞的化合物,他們就可以防止它們結(jié)晶,并且讓這種塑料有更大的延展性。但是他們必須小心謹(jǐn)慎,因?yàn)樘砑硬牧虾,?dǎo)體的導(dǎo)電性通常會(huì)削弱其傳輸信號(hào)的能力。
在測(cè)試了20多種材料之后,他們終于找到了理想的材料。這是一種分子,類(lèi)似于工業(yè)廚房當(dāng)中的那種調(diào)制濃湯的添加劑。這種添加劑可以讓脆弱而厚實(shí)的分子結(jié)構(gòu),變成有孔的魚(yú)網(wǎng)鏈,可以拉伸、變形。
測(cè)試這種新材料時(shí),他們很興奮地發(fā)現(xiàn),這種材料可以拉伸到原來(lái)長(zhǎng)度的兩倍。塑料即使拉伸到自然長(zhǎng)度下的800%,導(dǎo)電性仍然非常良好。
“我們認(rèn)為,如果我們?cè)谄渲性黾咏^緣材料,最終的導(dǎo)電率將非常可憐,特別是當(dāng)我們添加了這么多之后。”鮑哲南說(shuō)。不過(guò)由于他們對(duì)調(diào)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(dǎo)電率,同時(shí)又有彈性、韌性俱佳的材料。
鮑哲南團(tuán)隊(duì)在測(cè)試這種材料的彈性,用這種材料往機(jī)器人測(cè)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?guī)缀跏峭该鞯摹?/FONT>
實(shí)驗(yàn)室的一名博士后研究員王月(音譯,Yue Wang)說(shuō),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(dá)到了96%。
據(jù)新華社報(bào)道,鮑哲南表示,下一步將會(huì)驗(yàn)證這種材料是否可以植入生物體,以及會(huì)不會(huì)對(duì)生物體造成損害。
相比于一些過(guò)于天馬行空的實(shí)驗(yàn)室的設(shè)想,這項(xiàng)發(fā)明有著更明朗的應(yīng)用場(chǎng)景。希望這項(xiàng)技術(shù)早日成熟落地,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。讓我們的可穿戴設(shè)備早點(diǎn)擺脫僵硬電路的束縛。
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