河北工業大學AM：用于健康監測的自愈、可重構、熱開關、變革性電子設備

一、【導讀】

柔性電子器件的出現所帶來的獨特的機械和電氣性能允許它們用于軟機器人、柔性傳感器和柔性印刷電路板(PCB)中。特別是，皮膚表面的軟可穿戴電子設備可以監測重要的生理數據，用于早期疾病診斷、有效的及時治療和人機界面，以及檢測熱應力。然而，這些柔性裝置不可避免地易受來自外部摩擦、扭轉、撕裂和壓縮的機械損壞和故障的影響，對它們在惡劣環境中的長期使用提出了挑戰。同時由于缺乏內在的熱開關，無法實現機械轉換適應性和抗機械損傷的自愈能力，導致它們的實際用途有限。因此，生物自愈材料已被用于制造自愈生物傳感器、超級電容器、電池和摩擦電納米發電機。

二、【成果掠影】

近日，河北工業大學楊麗副研究員報告了基于超支化聚合物和雙相液態金屬的自修復、可重構、熱開關器件平臺的設計概念、材料和物理學、制造方法和應用機會。前者為皮膚開關提供了出色的自愈性能和獨特的可調剛度以及由溫度調節的附著力，而后者則產生了具有極高拉伸性(> 900%)和高導電性(3.40×104S cm^-1)以及簡單回收能力的液態金屬電路。由來自皮膚表面的溫度升高觸發，多功能設備平臺可以方便地符合并牢固地附著到分層紋理皮膚表面，用于非侵入性、連續、舒適的健康監測。此外，自修復和粘合特性允許多個多功能電路元件組裝并完全包裹在3D曲線表面上。相關成果以“Self-Healing, Reconfigurable, Thermal-Switching, Transformative Electronics for Health Monitoring”發表在Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

在這項研究中，自愈、變革和自組裝電子產品的設計、制造和概念為堅固的軟變形設備、智能機器人、假肢和物聯網以及不規則表面上的人機界面開辟了新的機會。

四、【數據概覽】

圖1 柔性、自我修復、可回收的多功能可穿戴電子產品的設計和演示 ?2023 Wiley

(a)制造過程的示意圖。(b)用于監控(c)電生理、溫度和運動的概念驗證多功能電子設備的分解圖。(d) (i，ii)顯示自愈特性和(iii，iv)自愈后抗彎曲的機械強度的示意圖。(e)回收液態金屬和碎片，以便在制造新的自愈電子設備時重新使用。

圖2 吸濕性隨機超支化聚合物(HRHP)和雙相鎵銦(bGaIn)的表征?2023 Wiley

(a)HRHP從25℃加熱到800℃的熱重曲線。(b)以10℃ min^-1的速率從-65℃加熱到130℃的HRHP的DSC熱分析圖。(c)在從30℃加熱到150℃時，HRHP的依賴于溫度的FTIR光譜。(d)在CO₂激光燒蝕之前HRHP膜表面的SEM圖。(e)在CO₂激光燒蝕之前(左)和之后(右)的HRHP表面的SEM圖。(f)激光CO₂燒蝕后HRHP膜表面的SEM圖。(g)bGaIn的SEM圖像，iii和iv分別是i和ii的部分放大照片。(h)bGaIn的能量色散光譜圖，固體顆粒區域顯示出高氧和鎵濃度。(i)bGaIn的X射線衍射圖。

圖3 HRHP薄膜的力學性能和附著力表征 ?2023 Wiley

(a)展示HRHP薄膜在剛性(頂部)和柔性(底部)狀態下的可變剛度。(b)當HRHP從玻璃態轉變為橡膠態時，其彈性模量從294.69 MPa下降到0.15 MPa。(c)HRHP(柔性)、HRHP(剛性)、PDMS和Ecoflex的應力應變曲線。(d)在激光燒蝕后，測量的PDMS、Ecoflex、原始HRHP和HRHP的粘附力。(e)HRHP在24℃和1.9℃下的粘附性的比較。(f)HRHP的光學和紅外圖像在22.9℃時牢固地粘附在皮膚上，在5.9℃時容易除去。(g)柔性HRHP在皮膚上的強粘附的耐久性試驗。

圖4? bGaIn的機電特性。?2023 Wiley

(a)顯示bGaIn的制造過程的示意圖:(i) 首先將GaIn與乙醇混合接著(ii)超聲波均化器處理，以獲得均勻的GaIn油墨。(iii) 在硅晶片上反復噴涂增益油墨，并在90℃下干燥，(iv)刮掉材料，得到用于(v)通過蔭罩印刷增益圖案的bGaIn漿料。(b)在(i)高粘膠帶（VHB），(ii)牛皮紙，(iii)乳膠氣球的表面，和(iv)帶有發光二極管的棉纖維上印刷bGaIn圖案。(c)在200%拉伸應變之前和之后具有“HEBUT”圖案的LED陣列。(d)在拉伸應變高達940%和插入到300%的情況下，VHB帶上bGaIn跡線的歸一化電阻變化。(e)在2000次循環至300%拉伸后，對VHB上的bGaIn軌跡進行穩定性測試。(f)比較本作品中的bGaIn和其他可拉伸導體之間的初始電導率、拉伸性和最大應變下的歸一化電阻變化。

圖5 自愈電極在無運動偽跡心電圖檢測中的應用。?2023 Wiley

(a) bGaIn-HRHP和商用電極之間的ECG信號的比較。(b) ECG信號和(c)在運動和休息后由bGaIn-HRHP電極檢測的心率。(d)在連續行走和站立期間測量的心電圖信號。(e)在正常呼吸和深呼吸下測量的具有降低的S峰值的ECG信號。(f)從處于原始、斷裂和自愈狀態的bGaIn-HRHP電極收集的ECG信號，以及(g)相應的SNR值。(h)在肘部彎曲、胸部擠壓和拉伸時bGaIn-HRHP和商用電極之間的ECG信號的比較， (i) 對應的信噪比值。

圖6 可回收bGaIn和商業現貨（COTS）組件在多功能設備變剛度變溫HRHP中的應用。?2023 Wiley

(a)演示連接到手臂的設備平臺，以檢測不同活動中的溫度和變化運動，以及(b)在骨折前、骨折后和自愈后測量的信號(紅色表示溫度，藍色表示運動)。(c)顯示多功能設備自愈過程的圖像。(d)bGaIn和電子元件的回收過程始于(i)將器件浸泡在乙醇中，以及(ii)用玻璃棒攪拌，使其與基板分離。(iii)在50℃下干燥10分鐘，產生(iv)回收的bGaIn和電子元件，供再次使用。(e)從零到五次循環的bGaIn的電阻的比較。(f)展示由回收的bGaIn和電子元件制成的用于檢測溫度和運動的新裝置。

圖7 基于3D自組裝的遠程運動監控和共形電子集成系統。?2023 Wiley

(a)集成遠程監控平臺的示意圖和(b)框圖。(c)顯示綜合遠程監測系統中每個模塊的照片。(d，f)在(d，e)鞍形面和(f，g)半球面上的(e，g)自組裝裝置的2D部件的設計。(h)從鞍座表面上的保形裝置檢測溫度和運動。

五、【成果啟示】

這項研究報道了基于自愈合HRHP薄膜上印刷bGaIn和COTS元件的自愈合、熱開關、機械轉換電子器件的設計、制造方法、表征和演示。由于HRHP膜具有可變的硬度和粘附力，該裝置可以牢固地附著在由溫度控制的皮膚上，并且可以通過冷卻方便地移除。除了從機械損傷中自我修復之外，bGaIn和電子元件還可以通過浸泡在乙醇中進行分離和回收，以便重新用于印刷電路、檢測溫度和運動。此外，自愈合和強粘附特性可以與剪紙設計和自組裝相結合，以方便地在3D曲線表面上制造保形電子器件，用于智能物聯網和醫療保健。

原文詳情：Yang, L., Wang, Z., Wang, H., Jin, B., Meng, C., Chen, X., Li, R., Wang, H., Xin, M., Zhao, Z., Guo, S., Wu, J. and Cheng, H. (2023), Self-Healing, Reconfigurable, Thermal-Switching, Transformative Electronics for Health Monitoring. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2207742.

https://doi.org/10.1002/adma.202207742