河北工业大学AM：用于健康监测的自愈、可重构、热开关、变革性电子设备

一、【导读】

柔性电子器件的出现所带来的独特的机械和电气性能允许它们用于软机器人、柔性传感器和柔性印刷电路板(PCB)中。特别是，皮肤表面的软可穿戴电子设备可以监测重要的生理数据，用于早期疾病诊断、有效的及时治疗和人机界面，以及检测热应力。然而，这些柔性装置不可避免地易受来自外部摩擦、扭转、撕裂和压缩的机械损坏和故障的影响，对它们在恶劣环境中的长期使用提出了挑战。同时由于缺乏内在的热开关，无法实现机械转换适应性和抗机械损伤的自愈能力，导致它们的实际用途有限。因此，生物自愈材料已被用于制造自愈生物传感器、超级电容器、电池和摩擦电纳米发电机。

二、【成果掠影】

近日，河北工业大学杨丽副研究员报告了基于超支化聚合物和双相液态金属的自修复、可重构、热开关器件平台的设计概念、材料和物理学、制造方法和应用机会。前者为皮肤开关提供了出色的自愈性能和独特的可调刚度以及由温度调节的附着力，而后者则产生了具有极高拉伸性(> 900%)和高导电性(3.40×104S cm^-1)以及简单回收能力的液态金属电路。由来自皮肤表面的温度升高触发，多功能设备平台可以方便地符合并牢固地附着到分层纹理皮肤表面，用于非侵入性、连续、舒适的健康监测。此外，自修复和粘合特性允许多个多功能电路元件组装并完全包裹在3D曲线表面上。相关成果以“Self-Healing, Reconfigurable, Thermal-Switching, Transformative Electronics for Health Monitoring”发表在Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

在这项研究中，自愈、变革和自组装电子产品的设计、制造和概念为坚固的软变形设备、智能机器人、假肢和物联网以及不规则表面上的人机界面开辟了新的机会。

四、【数据概览】

图1 柔性、自我修复、可回收的多功能可穿戴电子产品的设计和演示 ©2023 Wiley

(a)制造过程的示意图。(b)用于监控(c)电生理、温度和运动的概念验证多功能电子设备的分解图。(d) (i，ii)显示自愈特性和(iii，iv)自愈后抗弯曲的机械强度的示意图。(e)回收液态金属和碎片，以便在制造新的自愈电子设备时重新使用。

图2 吸湿性随机超支化聚合物(HRHP)和双相镓铟(bGaIn)的表征©2023 Wiley

(a)HRHP从25℃加热到800℃的热重曲线。(b)以10℃ min^-1的速率从-65℃加热到130℃的HRHP的DSC热分析图。(c)在从30℃加热到150℃时，HRHP的依赖于温度的FTIR光谱。(d)在CO₂激光烧蚀之前HRHP膜表面的SEM图。(e)在CO₂激光烧蚀之前(左)和之后(右)的HRHP表面的SEM图。(f)激光CO₂烧蚀后HRHP膜表面的SEM图。(g)bGaIn的SEM图像，iii和iv分别是i和ii的部分放大照片。(h)bGaIn的能量色散光谱图，固体颗粒区域显示出高氧和镓浓度。(i)bGaIn的X射线衍射图。

图3 HRHP薄膜的力学性能和附着力表征 ©2023 Wiley

(a)展示HRHP薄膜在刚性(顶部)和柔性(底部)状态下的可变刚度。(b)当HRHP从玻璃态转变为橡胶态时，其弹性模量从294.69 MPa下降到0.15 MPa。(c)HRHP(柔性)、HRHP(刚性)、PDMS和Ecoflex的应力应变曲线。(d)在激光烧蚀后，测量的PDMS、Ecoflex、原始HRHP和HRHP的粘附力。(e)HRHP在24℃和1.9℃下的粘附性的比较。(f)HRHP的光学和红外图像在22.9℃时牢固地粘附在皮肤上，在5.9℃时容易除去。(g)柔性HRHP在皮肤上的强粘附的耐久性试验。

图4  bGaIn的机电特性。©2023 Wiley

(a)显示bGaIn的制造过程的示意图:(i) 首先将GaIn与乙醇混合接着(ii)超声波均化器处理，以获得均匀的GaIn油墨。(iii) 在硅晶片上反复喷涂增益油墨，并在90℃下干燥，(iv)刮掉材料，得到用于(v)通过荫罩印刷增益图案的bGaIn浆料。(b)在(i)高粘胶带（VHB），(ii)牛皮纸，(iii)乳胶气球的表面，和(iv)带有发光二极管的棉纤维上印刷bGaIn图案。(c)在200%拉伸应变之前和之后具有“HEBUT”图案的LED阵列。(d)在拉伸应变高达940%和插入到300%的情况下，VHB带上bGaIn迹线的归一化电阻变化。(e)在2000次循环至300%拉伸后，对VHB上的bGaIn轨迹进行稳定性测试。(f)比较本作品中的bGaIn和其他可拉伸导体之间的初始电导率、拉伸性和最大应变下的归一化电阻变化。

图5 自愈电极在无运动伪迹心电图检测中的应用。©2023 Wiley

(a) bGaIn-HRHP和商用电极之间的ECG信号的比较。(b) ECG信号和(c)在运动和休息后由bGaIn-HRHP电极检测的心率。(d)在连续行走和站立期间测量的心电图信号。(e)在正常呼吸和深呼吸下测量的具有降低的S峰值的ECG信号。(f)从处于原始、断裂和自愈状态的bGaIn-HRHP电极收集的ECG信号，以及(g)相应的SNR值。(h)在肘部弯曲、胸部挤压和拉伸时bGaIn-HRHP和商用电极之间的ECG信号的比较， (i) 对应的信噪比值。

图6 可回收bGaIn和商业现货（COTS）组件在多功能设备变刚度变温HRHP中的应用。©2023 Wiley

(a)演示连接到手臂的设备平台，以检测不同活动中的温度和变化运动，以及(b)在骨折前、骨折后和自愈后测量的信号(红色表示温度，蓝色表示运动)。(c)显示多功能设备自愈过程的图像。(d)bGaIn和电子元件的回收过程始于(i)将器件浸泡在乙醇中，以及(ii)用玻璃棒搅拌，使其与基板分离。(iii)在50℃下干燥10分钟，产生(iv)回收的bGaIn和电子元件，供再次使用。(e)从零到五次循环的bGaIn的电阻的比较。(f)展示由回收的bGaIn和电子元件制成的用于检测温度和运动的新装置。

图7 基于3D自组装的远程运动监控和共形电子集成系统。©2023 Wiley

(a)集成远程监控平台的示意图和(b)框图。(c)显示综合远程监测系统中每个模块的照片。(d，f)在(d，e)鞍形面和(f，g)半球面上的(e，g)自组装装置的2D部件的设计。(h)从鞍座表面上的保形装置检测温度和运动。

五、【成果启示】

这项研究报道了基于自愈合HRHP薄膜上印刷bGaIn和COTS元件的自愈合、热开关、机械转换电子器件的设计、制造方法、表征和演示。由于HRHP膜具有可变的硬度和粘附力，该装置可以牢固地附着在由温度控制的皮肤上，并且可以通过冷却方便地移除。除了从机械损伤中自我修复之外，bGaIn和电子元件还可以通过浸泡在乙醇中进行分离和回收，以便重新用于印刷电路、检测温度和运动。此外，自愈合和强粘附特性可以与剪纸设计和自组装相结合，以方便地在3D曲线表面上制造保形电子器件，用于智能物联网和医疗保健。

原文详情：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