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从可穿戴设备到电子皮肤,柔性设备是未来吗?

时间:2024-05-22 13:34:39 科技赋能

目前,可穿戴设备还没有像智能手机那样普及,但随着技术的进步,它会变得更加普及,并且具有可观的市场潜力。

可穿戴设备的未来在于摆脱手机配件或第二屏幕的定位,并寻找新的方式来构建其杀手级应用。

《SumKen》邀请了博士生竹井国晴 (Kuniharu Takei)。

来自大阪府立大学电子物理与工程研究生院的博士生,分享了如何将纳米材料用于柔性传感器来创建下一代可穿戴设备,并讨论其相关的优点、缺点和挑战。

测试引发了讨论。

以柔克刚,以量取胜。

如今市场上的可穿戴设备仍然以智能手表为主,辅之以以前的头戴式显示器,如谷歌眼镜和各种用于监测身体功能的传感器。

但这些都是刚性装置,很难真正跨越。

摆脱当前对移动智能设备的刻板印象。

武井国春认为,未来的可穿戴设备应该以“灵活”为目标。

即使弯曲也不会折断,像衣服一样紧贴身体,而且大多是“一次性使用”的低价产品。

在应用上要有所区别。

如果能够通过印刷技术等廉价工艺在柔性基板上生产,则可以满足上述需求。

无机与有机 为了实现柔性器件,半导体材料的选择至关重要。

无机半导体材料电子迁移率高,是有机材料的10~1倍,并且可以在低电压下驱动;它们在空气和水中相对稳定,可以执行任何动作;并且已经有使用硅工艺的集成技术。

但缺点是利用晶体生长技术几乎不可能实现大面积、低成本,而且材料较硬,不适合用于柔性器件。

至于有机半导体材料,它们不仅柔软,而且适合印刷技术,并且可以以低廉的价格大面积批量生产。

但缺点是电子迁移率较低,必须采用高电压驱动;在空气和水中不稳定。

如何改善运动将是一个重要的问题。

Kuniharu Takei提出,通过对无机材料进行“纳米化”,可以改善刚性和缺乏机械柔性的问题。

利用碳纳米管(CNT)电子迁移率高、稳定性好、可大批量合成的特点,可以生产性能优异的复合材料。

由于纳米材料主要带负电,因此通过用带正电的单层修饰基底表面可以实现纳米材料的高密度转移。

例如,测量变形的传感器是用碳纳米管和银纳米粒子墨水的混合物印刷的,通过纳米粒子之间的电阻变化来检测变形量。

测量温度的传感器是CNT和PEDOT:PSS墨水的混合物,可以通过两者界面处的电子跃迁来测量温度变化(温度升高,电子跃迁次数增加,电阻值减小)。

  应用有上百种,但距离量产还很远。

利用上述技术,您可以创建测量触摸、摩擦力和温度的“电子皮肤”;或者可以检测人体心跳、血糖、血氧含量,自动注入医疗液“智能OK担架”。

如果增加无线传输,还可以将检测数据记录到手机或云端。

此外,安装在小型救灾机器人上的“电子触手”可以让机器人穿梭于灾害现场的障碍物缝隙中,并进行扫描获取情报。

如果能够实现大面积轻量化,最实际的应用是安装在车辆或建筑物上,检测是否有变形,防止发生大规模事故。

不过,Kuniharu Takeuchi也表示,大多数通过无机与纳米材料相结合制成的柔性器件仍处于实验室和理论阶段,例如电源和无线传输等问题尚未解决。

在看到明显的实际效益之前,日本政府和企业仍不愿意投入资金协助大学研发。

不过,韩国三星和美国多家企业已经组建了自己的团队积极开展研发,势必会抓住这一领域的先机。