Гибкая, проницаемая и трехмерная интегрированная электронная кожа сочетает в себе жидкие металлические цепи с фиброзными подложками

Надежные 3D -гибридные интерфейсы с использованием ультрастрифицируемого припоя HLM.Кредит: Zhuang et al.

В последние годы исследовательские группы по всему миру пытались разработать новую гибкую и мягкую электронику.Эти устройства могут иметь различные потенциальные применения, например, помогая врачам контролировать состояния здоровья своих пациентов или поддержать реабилитацию и производительность спорта.

Чтобы быть безопасно и комфортно носить пользователями ежедневно, эти устройства должны быть проницаемыми (то есть на основе дышащих материалов, которые позволяют жидкостям и газам проходить через них).Они также должны быть био-совместимыми (то есть безопасно носить на человеческом организме в течение длительных периодов времени) и устойчивыми к деформации, что означает, что они не ломаются легко при растяжении или тяне в определенном направлении.

Researchers at the Hong Kong Polytechnic University and other institutes in China recently developed a new intrinsically permeable, 3D integrated and flexible electronic skin. This e-skin, presented in a paper in Nature Electronics, is based on high-density inorganic electronic components placed on organic stretchable fibrous substrates.

“Most stretchable electronic systems have low-density integration and are wired with external printed circuit boards, which limits functionality, deteriorates user experience and impedes long-term usability,” Qiuna Zhuang, Kuanming Yao and their colleagues wrote in their paper. “We report an intrinsically permeable, three-dimensional integrated electronic skin.”

Instead of utilizing impermeable and rigid printed circuit bords, Zhuang, Yao and their colleagues used a skin-like multilayered circuit board based on stretchable and permeable materials. This micropatterned circuit board is made of liquid metal and fiber mats.

“The system combines high-density inorganic electronic components with organic stretchable fibrous substrates using three-dimensional patterned, multilayered liquid metal circuits and stretchable hybrid liquid metal solder,” the researchers wrote. “The electronic skin exhibits high softness, durability, fabric-like permeability to air and moisture and sufficient biocompatibility for on-skin attachment for a week.”

The new stretchable material developed by the researchers was found to be highly resistant to strain, retaining its electrical properties up to an impressive strain of 1,500%. Moreover, the electronic skin can let both air and moisture pass through, preventing rashes and skin inflammation after being worn for long periods of time.

When they compared their proposed material to a previously developed stretchable electronic skin based on the material polydimethylsiloxane (PDMS), the team found that it was significantly thinner and less rigid. To further demonstrate its performance, the researchers used their electronic skin to develop bio-electronic devices that can record and wirelessly transmit physiological signals to another device.

“We use the platform to create wireless, battery-powered and battery-free skin-attached bioelectronic systems that offer complex system-level functions, including the stable sensing of biosignals, signal processing and analysis, electrostimulation and wireless communication,” the research team wrote.

В будущем, по своей сути проницаемой и гибкой электронной кожи, разработанной этой командой исследователей, может быть использована для изготовления широкого спектра устройств для надежного и безопасного мониторинга физиологических процессов.Кроме того, это может вдохновить конструкцию аналогичных био-совместимых устройств на основе гибких плат круга и жидких металлов.

More information: Qiuna Zhuang et al, Permeable, three-dimensional integrated electronic skins with stretchable hybrid liquid metal solders, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01189-x.