科学家研制出可控制机械手的电子纹身 三层电路贴皮肤

你听说过“电子纹身”（Electronic Tattoo）吗？早在 2013 年，摩托罗拉高级副总裁 Regina Dugan 就曾拿出了一个看上去类似于普通纹身贴的产品。Regina Dugan 表示这款电子纹身是一种移动式智能设备，可惜并未过多展示它充满未来感的那一面。

2016 年 YouTube 上的一段视频中，几位生物黑客展示了将电子设备植入皮下的过程——设备差不多硬币大小，由一个印刷电路板、5 个表面贴装发光二极管（SMD LED）组成，被硅胶包裹着，由一块 3 伏的电池供电。

设备植入并受磁铁激活后，LED 灯会发光，皮肤上则显现出一朵梅花，这纹身可以说是太硬核了，硬核得有点儿肉疼。

如果你觉得电子纹身只是厂商炒概念、科学怪人开脑洞，那就错了。

2018 年，美国卡内基·梅隆大学的科学家们就已将电子纹身写进了论文——他们用液态金属合金涂覆银纳米颗粒，二者融合后形成这些电路，经过印刷，纹身就可轻松地转移到皮肤上，并且导电性也很高。

当时参与这项研究的卡内基·梅隆大学助理教授 Carmel Majidi 表示：

这是电子印刷领域的突破。

而就在最近，中国科学家们也联合打造了一款电子纹身。

2021 年 1 月 13 日，相关论文正式发表于《科学》杂志子刊《科学-进展》，题为 Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect（可实现折痕放大效果的多层电子传递纹身）。

论文作者来自南方科技大学（深圳湾实验室生物医学工程研究所）、首都医科大学生物医学工程学院以及中国科学院大学国家纳米科学技术中心。

何为“电子纹身”？

通过上文介绍，我们大概已经能对电子纹身下一个定义了：一种能直接贴在皮肤上的超薄电路。

电子纹身可以随着皮肤的状态实现任意的拉伸和弯曲，可谓是可穿戴设备的最高境界了。

据悉，其工作原理是 NFC（Near Field Communication，近场通信），一种能让设备在彼此靠近时进行数据交换的技术。

NFC 这项技术是在 RFID（非接触式射频识别）技术的基础上结合无线互连技术研发而成，日常场景中这项技术也为各类电子产品提供了安全快捷的通信支撑。移动支付、文件传输、门禁、手机与车钥匙集成的背后，都离不开 NFC——具体到电子纹身上，NFC 则保证了信号的传递。

【苹果手机上的 NFC 功能】

其实电子纹身可以有很多种用途，例如耳机、无线收发器、电源、噪音检测器、测谎仪等等。

论文中作者也有提到：

电子纹身在皮肤健康和运动感应方面有着很大的潜力。

然而，电子纹身目前存在的问题是：保形性、粘性和多层性等特性并不能同时存在，这便是研究人员设计新型电子纹身的动因。

多层电子传递纹身

研究人员设计出了一种“多层电子传递纹身”，即 multilayered electronic transfer tattoo（下文简称为 METT）。

为了组成多层电路模块，科学家们用到了两种材料，一是金属聚合物导体（metal-polymer conductors），二是弹性体嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。

METT 共有 3 层：

粘合层（adhesive layer）：一层很薄（~8 μm）的压敏胶，当收到外部压力时，粘合层使得 METT 与皮肤紧密附着。

释放层（release layer）：一种硅酮膜，主要目的是便于电路模块从释放膜剥离。

两者之间的电路模块：其中包含 3 层电路，每层都是嵌有可拉伸导体的聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）薄膜（~14 μm）。

据悉，第一、二层电路上分布有应变传感器，数量分别为 11 和 4，而第三层电路上有 1 个加热器。

科学家们测试了 METT 中应变传感器的机电性能。

由于金属-聚合物导体（metal-polymer conductor）有着良好的拉伸性、可重复性，因此可被用作应变传感器。

如下图 A、B 所示，基于金属-聚合物导体的应变传感器的电阻随着拉伸应变的增加而增加，METT 甚至可以很容易地拉伸到 800％ 的程度，这远远超过了皮肤的最大变形。

整体上，METT 可用于温度调节、运动监测和机器人远程控制，具有高延展性（800%）、保形性和粘性，可实现将折痕放大的效果，因而能将集成应变传感器的输出信号放大 3 倍。事实证明，无需任何溶剂或者加热，METT 就能在不同的表面牢牢附着。

远程控制机械手

不仅如此，为了展示这种新型电子纹身的可扩展性，科学家们更是制造了一个 7 层的 METT，作为一种可拉伸加热器。

上图 A 是 7 层加热器的俯视图，每个电路层都包含一个基于金属-聚合物导体的加热器，两端有两个连接点，用于与其他层中的加热器形成垂直电连接——因此，7 个加热器就以串联的方式连接到了电源。

上图 B 展示的则是不同层中基于金属-聚合物导体的加热器通过连接点形成的电连接的图像。

论文介绍，除连接点外，金属-聚合物导体通过 SBS 形成了良好的电绝缘，在热图像中未发现短路。

研究得出的一个结论是，随着层数增加，纹身的顺应性随着厚度的增加而降低，两层电子纹身足以满足大多数功能。

实验中，科学家们将 METT 进行了实际应用——通过手指弯曲发出的信号被放大，通过蓝牙传输到了机械手，因此 METT 能远程控制机械手，机械手在模仿我们手的动作时也不会出现异常的振动。

论文表示，团队已经通过 2 层 METT 实现了以 6 个自由度远程控制机械手、通过 3 层 METT 实现了以 15 个自由度远程控制机械手。

可以肯定的是，未来电子纹身在医疗、VR 和可穿戴机器人方面具有巨大潜力。

责任编辑：PSY