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Advanced Science 12月封面文章: 剪纸启发的可共形贴附于生物曲面的柔性可变形三维传感器

已有 1204 次阅读 2019-1-7 13:59 |系统分类:博客资讯

杨超,胡又凡,北京大学

Kirigami-inspired deformable 3D structures conformable to curvedbiological surface  

By Chao Yang, Heng Zhang, Youdi Liu, Zhongliang Yu, Xiaoding Wei, Youfan Hu*

C.Yang, H. Zhang, Y. D. Liu, Prof. Y.F. Hu

KeyLaboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices and Department ofElectronics, Peking University, Beijing 100871, P. R. China

Z. L. Yu, Prof. X. D. Wei

State Key Laboratory forTurbulence and Complex System, Department of Mechanics and Engineering Science,College of Engineering, Peking University, Beijing 100871, China

Prof. X. D. Wei

Beijing Innovation Center forEngineering Science and Advanced Technology, Peking University, Beijing 100871,China

DOI:10.1002/advs.201801070

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201801070


2018年第12期封面

随着人们日益重视生理健康,越来越多的业界人士致力研发可贴附在人体各个部位的柔性可穿戴式传感器,用于监测温度、心率、肌电、血压等多种生理特征。然而,对于起伏很大、拉伸形变明显的身体部位,仍然需要构建更加立体的可变形结构,实现与皮肤在任何状态下的共形接触,提高信号质量,减少监测时的噪声。

最近,剪纸艺术激发了一种将平面二维(2D)结构塑造成复杂三维(3D)结构的方法。它是通过对平面二维结构进行适当的剪切,从而使得其可以拉伸成三维立体的结构。此外,除了创造一个3D可变形结构以达到与皮肤的共性接触,构建体表传感器还需要衬底具有高的生物相容性。Parylene作为衬底材料具有长期可植入性、柔性、化学惰性、光学透明性和阻隔性。而银纳米线(AgNWs)具有良好的导电性、透光性和机械柔韧性,将两者结合起来将具有巨大的应用优势。

然而,这里还存在两个需要解决的问题:(1)银纳米线在空气中容易氧化,这会增大表面电阻,从而增大皮肤接触阻抗。(2)银纳米线与衬底的粘附性不够强,无法承受与皮肤的多次粘附/分离过程,将导致在多次测试过程中性能退化。因此,研究人员通过先旋涂银纳米线,再通过化学气相法生长parylene以包覆银纳米线,所获得的3微米超薄AgNWs/parylene复合薄膜,在导电性、透明度、稳定性等方面均具有巨大优势。将其应用于心电监测,所获取的心电信号电压幅值和信号特征与商用电极类似,可清晰记录各波形的特征性心电图峰。利用其构建的高频天线,其工作频段在4.3 GHz以上,可覆盖无线局域网(WLAN,5GHz)和射频识别(RFID,4.3~5.8 GHz)的工作范围,且具有良好的高频特性和全向性。更重要的是,研究人员基于“剪纸”工艺原理,提出一种构建三维可变形电子系统的通用方案,包括合理的激光图案切割设计和独特的图形化流程。理论分析的结果证明通过切割图形的设计,可有效增强薄膜与人体皮肤之间的黏附性。利用此三维可调结构,研究人员构建了可变形的透明湿度传感器,以手肘和手指关节为例,成功实现了这些部位的出汗状况监测。

近日,Advanced Science 在线发表了北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室特聘研究员胡又凡课题组关于剪纸启发的可共形贴附于生物曲面的柔性可变形三维传感器的相关工作,并被选为当期封面(Front cover)。论文的第一作者为北京大学信息学院硕士研究生杨超,论文通讯作者为胡又凡研究员,主要合作者包括北京大学工学院韦小丁研究员。

研究内容

在本工作中,采用银纳米线作为导电材料、parylene作为衬底材料,构建了3微米厚的超薄AgNWs/parylene复合薄膜,其和皮肤的接触阻抗只有4.7 kΩ(40 Hz)。基于“剪纸”工艺原理,提出了一种构建三维可变形电子系统的通用方案,并制备了可变形的透明湿度传感器,以手肘和手指关节为例,成功实现了这些部位的出汗状况监测。 

图文解析

图 1  (a) AgNWs/parylene复合薄膜的制备过程示意图。(b)旋涂制备的AgNWs分散在硅片上的SEM图像。(c) AgNWs转移后埋入parylene中的SEM图像。(图片来自C. Yang, et al.,Adv. Sci., 2018, 1801070)

图 2  (a) 样品1-4的SEM图像,AgNWs旋涂次数分别为10次、11次、12次、13次。 (b) 样品1-4的透过率光谱(波长范围从350到1200纳米), 参照组为3微米厚的parylene薄膜。 (c) 样品1-4方块电阻电阻与透光率的关系(波长为550 纳米)。(d)  样品1-4室温下暴露在空气中的方块电阻变化。(e) 弯折试验中复合薄膜的归一化方块电阻的变化,插图显示了实验装置。(图片来自C.Yang, et al.,Adv. Sci., 2018, 1801070)


图 3  (a) 心电图信号记录的原理。 (b) 商业电极和(c) AgNWs/parylene复合薄膜电极分别从健康男性志愿者体表捕获的心电图信号。(d) 单极子天线在1GHz到9GHz频率范围内的反射系数,插图显示了单极子天线的实物照片。 (e) 单极子天线在频率为7GHz和7.5GHz的H面方向图。(图片来自C.Yang,et al.,Adv. Sci.,2018, 1801070)


图 4  (a)- (d) 两种三维可变形结构在拉伸过程中的示意图和实物照片。 (e) 一种简单的剪纸图案,由直线组成,呈中心矩形排列。 (f) 三条银纳米线互连线在不同应变条件下的电阻变化,插图显示了复合薄膜在0%、20%和50%应变下的形状变化。(图片来自C.Yang, et al.,Adv. Sci.,2018, 1801070)

图 5  (a) 三维湿度传感器制作过程示意图。 (b)湿度传感器贴附到弯曲的手指关节和肘部。 (c) 湿度传感器的校准过程。 (d) 湿度传感器的电导-湿度拟合曲线与肘关节的出汗情况监测。(图片来自C. Yang, et al.,Adv. Sci.,2018, 1801070)


结论与展望

这项工作首次将导电纳米材料、超薄柔性薄膜与“剪纸”艺术相结合,低的皮肤接触阻抗和良好的共形接触使得制备得到的传感器可以获得稳定、低噪的生理信号。该工作给出一种构建三维可变形传感系统的通用策略,证明了在各类皮肤曲面上实现高性能传感器系统的可行性,以及可应用于未来复杂皮肤表面的各类生理健康监测的巨大潜力。



通讯作者及课题组

胡又凡 研究员 

2008年博士毕业于北京大学物理电子学,随后到美国乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)进行博士后研究。2014年起任北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室特聘研究员。共发表SCI论文50余篇,包括 NatureElectronics, Advanced Materials,Nano Letters,ACS Nano,Nano Energy, Advanced Functional Materials等。所发表的论文SCI引用共计4300余次,h 因子为32,共有9篇论文入选ESI高引论文,多项成果被各类学术媒体如MIT Technology Review、Science News、Science Daily、PhysOrg、EE Times等媒体广泛报道,拥有4项美国专利和3项中国专利。目前担任IEEETransaction on Nanotechnology期刊副编辑和Nanotechnology期刊顾问委员。

研究方向:高性能纳米传感器、碳基柔性集成电路、能量采集器和智能化纳米集成传感系统。

联系方式: youfanhu@pku.edu.cn


关于期刊

Advanced Science》 

Advanced Science is an interdisciplinarypremium open access journal covering fundamental and applied research inmaterials science, physics and chemistry, medical and life sciences, as well asengineering. In 2018, the Impact Factor has increased by almost 40% to a valueof 12.441 (2018 Journal Citation Reports). Advanced Science publishescutting-edge research, selected through a strict and fair reviewing process andpresented using highest quality production standards to create a premium openaccess journal. Top science enjoying maximum accessibility is the aim of thisvibrant and innovative research publication platform. 






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