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受蜘蛛網啟發，探索半液態金屬電子皮膚在智能交互與遠程醫療中的創新應用 i

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-13 15:41:04

在科技發展的浪潮中，柔性電子正以驚人的速度崛起。從可穿戴設備到電子皮膚，再到軟體機器人，柔性可拉伸電子在多個領域展現出了巨大的潛力。然而，其發展并非一帆風順，諸多挑戰如影隨形。而液態金屬相關技術的出現，正逐漸改寫這一局面。

一、柔性電子的崛起與挑戰

在當今科技飛速發展的時代，柔性可拉伸電子宛如一顆璀璨的新星，在可穿戴電子設備、電子皮膚以及軟體機器人等多個領域大放異彩。它所具備的優異柔性和可拉伸性，為人們帶來了對未來科技生活的無限憧憬。

柔性電子設備理想狀態如第二層肌膚，適應人體運動，提升舒適度與監測精度。但現有技術面臨透氣性差、粘附性差、導電性不足及延展性有限等問題，限制其在長期健康監測等場景的應用。

二、液態金屬智能彈性體架構的創新

在攻克這些難題的道路上，清華大學深圳國際研究生院汪鴻章課題組聯合清華大學劉靜教授、新南威爾士大學湯劍波博士展現出了非凡的智慧與創造力。他們研發出了一種令人矚目的智能液態金屬彈性體架構（LMEA）。

這種架構的設計理念獨辟蹊徑，將磁化后的液態金屬巧妙地分散于彈性聚合物之中，并使液態金屬處于高度過冷狀態。這一精妙的設計就像是在材料內部埋下了一顆顆神奇的 “種子”。當外界的刺激，無論是接觸式的，如機械按壓、拉伸、扭轉，還是非接觸式的，如磁場，像一陣 “春風” 拂過，平衡狀態瞬間被擾動。此時，液態金屬的相變被觸發，大量的潛熱如潮水般涌出。

這些潛熱在低熱導率的彈性體內部迅速蔓延，材料的溫度如同火箭升空般快速升高，甚至可超過 30 攝氏度，并且能夠維持數分鐘之久。這些由刺激觸發的熱信號就像是隱藏在材料中的 “秘密語言”，幸運的是，它們能夠被紅外相機敏銳地捕捉到。通過這種方式，實現了對多重輸入信息，如按壓、拉伸、扭轉、磁場的可視化感知。這一創新成果為柔性智能領域注入了全新的活力，開啟了一扇通往未來無源柔性智能系統的大門。

三、半液態金屬電子皮膚的突破

與此同時，汪鴻章課題組與天津大學國瑞博士的合作也結出了豐碩的成果。他們開發出了一種半液態金屬電子皮膚，如同沙漠中的綠洲般，為解決可穿戴電子設備的困境帶來了新的希望。

這種電子皮膚宛如一位全能的 “超級英雄”，同時具備高滲透性、高拉伸性、強粘附力和高導電性等諸多卓越性能。它的透氣性比商用透氣貼片還要高出一籌，仿佛為皮膚打開了一扇扇 “透氣窗”，讓皮膚能夠自由地呼吸。其利用聚硼硅氧烷實現了類似蛛網黏液的強粘接效果，就像蜘蛛精心編織的網一樣，能夠緊緊地粘附在目標物體上。

半液態金屬的應用更是讓這種電子皮膚如虎添翼。它賦予了電子皮膚優異的導電性和高達 850% 的最大拉伸率。這意味著它可以輕松地適應人體的各種運動，無論是細微的肌肉顫動還是大幅度的肢體動作。而且，這種電子皮膚能夠對各種生理參數進行長期的監測，就像一位忠誠的健康衛士，時刻守護著人們的健康。它還實現了基于肌電信號的手勢識別，仿佛能夠讀懂人們的肢體語言，為智能交互領域開辟了新的道路。

四、仿生蛛網電子皮膚的獨特魅力

天津大學與清華大學的聯合研究團隊進一步將目光投向了神奇的大自然。他們從蜘蛛網那獨特而精妙的結構中汲取靈感，開發出了一種新型的電子皮膚。

這種電子皮膚就像是大自然與科技的完美融合之作。它以半液態金屬為新材料，將仿生蛛網結構與半液態金屬涂層巧妙結合。獨特的仿生蛛網結構使電子皮膚猶如一張輕盈而堅韌的蜘蛛網，展現出了優異的透氣性和高達 850% 的應變拉伸性。這使得它在面對人體復雜的運動時，能夠自如地伸縮，而不會對使用者造成任何束縛。

與此同時，半液態金屬涂層的存在如同給電子皮膚披上了一層神奇的 “導電外衣”，使其具有卓越的導電性，達到了 9×10? S/m。在電子皮膚表面分布的聚硼硅氧烷和半液態金屬，如同神奇的膠水，實現了類似蜘蛛網黏液的強粘附效果。這種強粘附性與高拉伸性、金屬般的高導電性完美結合，形成了一種無可比擬的綜合優勢。

在力學表征、滲透性實驗、黏附性測試、電學性能測試等一系列嚴格的實驗中，這種仿生電子皮膚都表現得游刃有余。它不僅能夠在這些實驗中展現出卓越的性能，更在對各種生理參數的長期監測和機器學習識別功能中脫穎而出。無論是在醫療健康監測還是疾病診斷領域，它都展現出了巨大的商業應用潛力。它就像是一座堅固的橋梁，連接著科技與醫療，為患者的長期健康監測提供了更為舒適和可靠的解決方案。

五、研究成果的深遠影響

這些基于液態金屬的創新研究成果如同巨石投入平靜的湖面，在科學界和產業界都引起了強烈的反響。

它們以題為 “基于液態金屬的多刺激感知和可視化智能彈性體結構”（Multi - stimulus perception and visualization by an intelligent liquid metal - elastomer architecture）發表在《科學進展》（Science Advances）上，如同在科學的星空中點亮了一顆耀眼的星星。《科學通報》（Science Bulletin）上也刊登了相關成果，并入選封面論文。論文發表后，還受邀在中國工程院院刊《能源前沿》（Frontiers in Energy）撰寫 HIGHLIGHTS 論文：“可視化液態金屬釋放潛熱實現軟智能”（Visualizing unleashed latent heat of liquid metal for soft intelligence）。

這些成果的發表，不僅僅是榮譽的象征，更是對研究團隊辛勤努力的高度認可。它們為柔性可穿戴設備領域帶來了新的曙光，打破了傳統技術的瓶頸。在可穿戴電子設備領域，這些創新成果為設備的設計提供了全新的思路和方法。設計師們可以借鑒這些研究成果，打造出更加舒適、功能更強大的可穿戴設備。

在醫療健康領域，這些技術的應用前景更是不可限量。長期健康監測一直是醫療領域的重要課題，而這些新型的電子皮膚能夠實現對各種生理參數的長期、精準監測。無論是對于慢性疾病患者的日常管理，還是對于健康人群的預防保健，都具有深遠的意義。它就像是一位無聲的健康守護者，時刻關注著人們的身體狀況，為及時發現疾病隱患提供了有力的保障。

六、未來展望

隨著技術的不斷成熟和應用的深入，液態金屬在柔性電子領域的應用將如同春花般絢爛綻放。我們可以想象，在不久的將來，人們將佩戴著基于這些創新技術的可穿戴設備，享受著科技帶來的便利與舒適。

在健康醫療領域，這些電子皮膚有望成為醫生的得力助手。它們可以實時監測患者的生理參數，并將數據傳輸到醫療中心，實現遠程醫療的無縫對接。對于那些行動不便的患者來說，這無疑是一個福音，他們可以在家中就能享受到專業的醫療監測服務。

在智能交互領域，基于肌電信號的手勢識別等功能將不斷拓展。人們可以通過簡單的手勢來控制各種智能設備，實現人與設備之間更加自然、流暢的交互。這將為人們的生活帶來更多的樂趣和便利。

在工業制造領域，這些柔性電子技術也將有廣闊的用武之地。例如，在軟體機器人領域，它們可以為機器人提供更加靈敏的感知能力和更加靈活的運動性能。這將推動軟體機器人在復雜環境中的應用，如在危險環境中的救援工作、高精度的工業制造等。

總之，液態金屬在柔性電子領域的創新突破，為我們開啟了一個智能可穿戴的新時代。在這個時代里，科技與生活將更加緊密地融合在一起，為人類的未來創造出更多的美好與可能。

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