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超前预测:可穿戴设备未来新材料的应用

从普通企业到BAT企业,销量都有着不错的成绩。企业对可穿戴的形态功能也做了各式各样的大胆预测,显现出莫大的憧憬。实际上很多可穿戴产品在技术的实现、材质的选用及功能上能达到的阈值是很受现实条件限制的,需要更好的技术借助其他手段才能实现。

  近几年随着可穿戴电子设备的层出不穷,智能腕表、智能手环、智能眼镜等逐渐占据了大众视线,在技术上瓶颈限定问题更为突出。由于人类身体构造的原因,可穿戴设备如何更好的贴合人类的肢体也是需要探索的方面。就算可穿戴设备的材质再柔软再舒服,也似乎也无法带来最好的使用体验。

  美国斯坦福大学研究人员首次制备出一种可用于制作晶体管的可自愈弹性聚合物,在《自然》刊物上写道,该聚合物可以实现复杂有机电子表面模仿人类皮肤,为未来的可穿戴带来至佳无感的体验提供可能,有望进一步推动新一代可穿戴设备研发。

  柔性电子是当代科学技术最前沿的研究领域之一,涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等,包括RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。目前,柔性有机电致发光器件已广泛应用在显示屏、手机、电子书、卷轴屏、照明穿戴设备汽车和折叠电视等多个领域。柔性智能可穿戴器件及其集成技术也已成为市场翘首以盼的热点。随着研究的深入,很多柔性材料产品的出现为可穿戴电子设备等带来了全新的体验。

  制作弹性半导体聚合物一直以来都是个难题。弹性材料的典型设计规则是让材料更软、结晶度更低。但一般的高性能半导体聚合物,都需要高度结晶且硬度较高,导致材料硬且脆,容易碎裂。

  而斯坦福大学的研究人员采用了新的思路,通过将刚性半导体聚合物与较软的材料结合在一起,斯坦福大学的一组研究人员制作出了像人体皮肤一样可以拉伸、形成褶皱、自我愈合的半导体,能够用于可穿戴设备、电子皮肤乃至柔性机器人。

  这种弹性晶体管材料由两部分组成:一是刚性的半导体,二是连接这些半导体的无定形链。他们一开始使用含有二酮吡咯并吡咯(DPP)单元的聚合物——DPP 中大量的碳键使其很硬、很多结晶。接着,在不改变聚合物整体导电性能的前提下,替换掉 5%~10% 的DPP,减少碳键的数量,让材料变得更软。然后,研究人员再往其中加入另外一种更软、很容易形成氢键的弹性聚合物。由此得到了一种全新的材料。拉伸这种新材料时,里面的化学键会断开吸收机械能,而应力释放时,这些键又会重新结合起来。  目前,研究人员已经使用该聚合物制造出可以穿戴在肘部和踝部的弹性晶体管。研究团队正在从事将这种材料纳入传感器的研究,希望以后能开发出柔性可穿戴显示器。

  也许,开发柔性电子元件的科学家的最终目标,是制作出一些像人类皮肤一样的电子元件:一层可伸展的、覆盖和保护我们身体的器官,使我们能够感觉到触觉、疼痛和温度,并在受伤后会自我触愈合。要完美模拟人体的皮肤或许不可能,但是这项工作是寻找电子皮肤的一个里程碑,他们制作的材料与人类皮肤电子元件原型有相似之处。在短期内,可延展的软体电子设备有望用于真正的仿生和智能电器,并可能彻底改变未来几代的可穿戴设备。