可轉移到不同表面，多層8倍拉伸，皺紋具有放大器功能的電子紋身

電子紋身在面板健康和運動感應應用中具有巨大潛力。但是，現有的電子紋身不能同時是保形的，粘性的和多層的。

南方科技大學深圳灣實驗室生物醫學工程系唐麗雪與,首都醫科大學生物醫學工程學院, 中國科學院大學國家奈米科學與技術中心等聯合研發團隊近日發表了他們的高度可拉伸電子紋身的研究成果。發表在Science Advances。(DOI：10.1126 / sciadv.abe3778)

這種電子紋身可以實現摺痕放大效果，可以將整合應變感測器的輸出訊號放大三倍。紋身可以轉移到不同的表面上並形成牢固的附件，不需要溶劑或加熱。紋身製作簡單易行。一種分層策略和兩種材料（金屬聚合物導體和彈性體嵌段共聚物）被用於製造電路模組，在紋身中具有所需的層數。

研究小組展示了將紋身轉移到不同表面以形成牢固的附著物而無需溶劑或加熱的可能性。研究人員使用了一種簡單的方法來製作紋身，這種紋身的製作方法是基於分層策略的，其中兩種材料用於製作紋身中的電路模式。

可穿戴裝置

可穿戴或可植入裝置可以與人體組織無縫整合，從而在實時健康監測應用程式中改善生活質量。大多數可穿戴裝置由軟矽基底製成，並且與包括面板，大腦和心臟在內的人體組織相容。該材料還具有化學惰性，不會對人體組織造成傷害；但是，它們不能牢固地附著在人的面板上以達到穩定。因此，當前的電子紋身可以直接作為電子電路印刷在面板上或作為商業轉移紋身。由於不可避免地與複雜電路重疊，因此這種單層策略不能實現具有多種功能的電路。為了平衡現有的不相容性，Tang等人。開發了一種多層電子轉移紋身（METT），將其嵌入到細小特徵中，包括手指摺痕和面板上的指紋，以便在反覆變形時牢固附著。

METT的保形和粘性結構允許摺痕放大效果；應變集中在面板的皺紋上，導致紋身上的應變感測器的輸出訊號放大。紋身顯示出極好的拉伸性和可重複性。結果，由摺痕放大引起的大的區域性變形不會引起應變感測器或由金屬聚合物導體（MPC）製成的互連的退化。研究人員突破了基於液態金屬的電子紋身的極限，允許整合任意數量的應變感測器或其他功能元件，並集成了15個應變感測器和一個加熱器，這是迄今為止單層電子紋身無法實現的嘗試。該團隊使用METT演示了遙控機器人手。

METT是保形的和粘性的，可以實現摺痕放大效果。（A）METT中MPC的ΔR/ R與0至800％的不同拉伸應變之間的關係。本文中的誤差棒代表SE。（B）METT中MPC的ΔR/ R與0至150％的拉伸應變之間的關係。（C）透過將METT從0％拉伸到50％約100個迴圈，實時監測METT中的應變感測器。（D）嵌入在手指摺痕中的METT的照片。（E）METT可以嵌入指紋中。（F）從面板上剝離METT的照片。（G）在彎曲過程中將METT固定在近端指間關節（PIP）上的放大圖。（H）摺痕放大效果的示意圖；" a"表示懸掛部分的初始長度。虛線框，摺痕模型。（I）在摺痕上具有不同厚度的不同基材的示意圖。懸掛部分的初始長度a1 <a2。彎曲時應變，紅色>橙色>黃色。（J）指關節面板上的應變感測器的照片。（K）比較將食指彎曲到105°時具有不同厚度的不同基板上的MPC應變感測器的輸出訊號。

開發多層電子轉移紋身（METT）

METT包含三個部分，包括粘合劑層，離型層和兩者之間的電路模組。當唐等。在施加壓力的情況下，粘合層使METT與面板形成緊密和保形的附著。電路層保持薄聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）（SBS）薄膜，其中嵌入了可拉伸的導體。由金屬聚合物導體制成的三層METT內的電路模組包含三個帶有應變感測器的電路層和一個位於第三電路層上的加熱器。MPC為裝置提供了出色的導電性和可拉伸性，而SBS膜支撐了導體並將它們電隔離在不同的層中。當唐等。透過壓力將紋身附著到面板上，並去除釋放層，然後將METT的電路模組運輸到面板上以牢固附著。

METT的可擴充套件性。（A）七層加熱器的光學影象。（B）加熱器的熱像圖，無變形（左），應變為30％（右）。（C）噴出的液態金屬滴的數量取決於拉伸迴圈後SBS層的厚度。（D）對應於（C）的SBS表面的掃描電子顯微鏡（SEM）表徵；I（左）和II（右）中SBS的厚度分別為4.8和18.13μm。（E）電連線點的SEM表徵。虛線表示電連線點的邊緣，該邊緣被液態金屬顆粒覆蓋。（F）三層METT的橫截面。

METT製造策略

團隊建立了一個分層的製造策略來建立METT，從最外層到面板上的紋身開始。然後，他們直接將金屬聚合物導體（MPC）印刷到SBS（聚（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）膜）上，並與其他層形成垂直電連線，以增加電路層的數量。首先是由於液態金屬顆粒上的非導電氧化物層；但是，表面拉伸破壞了表面以產生導電路徑。施加壓力後，METT牢固地附著在面板上，並且軟而薄的電路模組殘留在面板上。該三層結構可以監視手的15個自由度，以將人的手的靈巧性轉移到具有類似自由度的機械手。

METT可以監控手的運動。（A）不同位置的應變感測器的ΔR/ R與角度的關係。插圖：應變感測器的測量位置示意圖。（B）在不同的彎曲角度下，附在PIP上的METT的電阻響應。（C）根據指標PIP的彎曲角度，在具有不同層的METT中的應變感測器的ΔR/ R。（D）應變感測器的測量位置示意圖。（E）附著在手上的三層METT的光學影象。（F）手上三層METT的熱影象。（G）15個應變感測器的實時訊號變化以及METT上加熱器的溫度變化隨手的移動而變化。

測試裝置的機電效能

然後，團隊測試了METT中基於金屬聚合物導體的應變感測器的機電效能。材料的電阻隨著拉伸應變的增加而增加，並易於拉伸至800％，遠遠超過了面板的變形。感測器在拉伸1000次後也顯示出出色的可重複性。Tang等。計算出METT的模量接近面板模組。可拉伸的METT是保形的和粘性的，從而引起摺痕放大作用。這使團隊能夠將METT嵌入到面板的摺痕中，例如指紋。摺痕內的面板未被METT完全覆蓋；相反，它仍然牢固地附著在摺痕內以確保應變彎曲手指時，重點放在感興趣的區域。結果表明，與平均應變下的應變感測器相比，聚焦應變可以顯著放大，從而突出了摺痕放大效果。科學家還採用了壓敏粘合劑來改善METT的皺紋放大效果，該材料即使在劇烈運動中也可以牢固地附著在面板上。

METT可以遠端控制機械手。（A）將紋身轉移到手上的照片。（B）照片顯示面板上的METT（左）和處置手套（右）。虛線框，外部接觸墊。（C）機器人控制系統的系統級框圖。（D）METT可以遠端控制機械手的運動。

METT檢測手的運動

Tang等。接下來，透過構造一個七層紋身作為可拉伸加熱器，展示了METT的可擴充套件性，該加熱器包含在與電源串聯連線的七個不同層上的七個蛇形加熱器。然而，增加的層數降低了紋身的順應性。因此，電子紋身僅需兩層就可以完成大多數功能。Tang等。還開發並研究了三層紋身的橫截面，該紋身的結構中嵌入了液態金屬顆粒，從而在每一層中形成導電網路。研究人員使用METT透過位於面板上的感測器來測量手部的運動同時測量了人的手在15個自由度上的運動。然後，他們開發了兩層METT，可實時遠端控制6個自由度的機械手。該團隊透過藍芽將手指彎曲引起的訊號放大並傳輸到機械手，以控制醫學研究和軍事領域的系統。

透過這種方式，唐麗雪及其同事獲得了用於摺痕放大的多層電子紋身。他們形成了一層一層的製造策略，以形成具有不同層的METT，同時保留了效果。該團隊使用三層METT，測量了手的15個自由度，並制定了一種策略，可以透過機器人控制系統遠端執行精緻而複雜的任務。

結論與展望：

進而，透過增加機器人手的自由度，可以使用機器人控制系統來遠端執行微妙而複雜的任務，這在醫療系統，虛擬現實和可穿戴機器人方面具有巨大潛力。將來，可以在基於MPC的應變感測器上製造摺痕/裂縫，並且可以透過摺痕/裂縫的密度和寬度來調整基於MPC的應變感測器的靈敏度。因此，基於摺痕放大效果的應變感測器將具有更廣泛的應用，而不僅限於具有摺痕的面板。