電子皮膚支架
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2021-08-12
電子皮膚支架的實例教程
國工程院院士、被譽為中國3D打印之父的盧秉恒在近日舉行的第三屆中德智能制造產(chǎn)業(yè)化合作峰會上透露，目前血管支架、人造皮膚甚至人工肝臟、人工心臟都可3D打印。
3D打印技術(shù)和智能制造密切相關(guān)，并支持智能制造快速開發(fā)和個性化設(shè)計。在盧秉恒看來，3D打印還帶來產(chǎn)品裝備的顛覆性變革，例如GE公司利用3D技術(shù)打印飛機發(fā)動機噴油器，提高燃油效率15%，發(fā)動機前進了一代；利用3D技術(shù)打印汽車，2萬個零件可以集成為40個，6天即可打印完成且減重三分之一。
在精準醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印技術(shù)更是應(yīng)用廣泛。專家介紹，3D打印機的原理和噴墨打印機類似，材料從噴嘴噴出，層層疊覆，最終形成一個三維物體。2013年，美國專家就嘗試使用3D打印技術(shù)打印人耳。英國赫瑞瓦特大學(xué)也和一家干細胞技術(shù)公司合作，首次將3D打印拓展到人類胚胎干細胞范圍。
在我國，盧秉恒團隊此前已成功利用羊、兔等動物試驗，打印“活體骨頭”——使用可降解材料做支架，附著干細胞生長因子。當這種“活體骨頭”植入動物體內(nèi)后，可降解材料逐漸降解，然后長出骨細胞，成為真正的活體器官。
“3D打印人體器官，目前又向前推進了一大步，”盧秉恒介紹，目前，他的研究團隊已和相關(guān)醫(yī)院合作，利用3D打印技術(shù)打印可降解的血管支架。人造心臟瓣膜的3D打印也已進入臨床試驗階段。此外，人造皮膚的3D打印試驗也已完成，不過下一步還要攻克人造皮膚的神經(jīng)系統(tǒng)難題。
在盧秉恒看來，3D打印技術(shù)主要滿足個性化的精準醫(yī)療，例如醫(yī)療模型制造、導(dǎo)航模板、齒科、骨科內(nèi)植物、靶向治療等。“西安交大和昆明一家醫(yī)院合作研發(fā)了脊椎手術(shù)導(dǎo)航模板，有效解決了模板的高精度、低成本難題。”此外，人工肝臟、人工心臟的3D打印技術(shù)也在持續(xù)攻關(guān)中。
隨著3D打印技術(shù)逐漸成熟，3D打印制造工廠還有望搬到外太空。
展開 皮膚是人體最大的器官，在人類與外部環(huán)境的交互中起著重要作用。電子皮膚最初出現(xiàn)在大眾的視野中是科幻作品，比如《星球大戰(zhàn)》的假手和《終結(jié)者》中的機器人。使用電子設(shè)備重建皮膚的特性在醫(yī)療、機器人、人造假肢、可穿戴設(shè)備等諸多領(lǐng)域，都有著很好的應(yīng)用前景。尤其是能夠無縫粘附到人體皮膚或體內(nèi)的電子皮膚，對于諸如健康監(jiān)測[1]，醫(yī)學(xué)治療[2]，醫(yī)療植入物[3]和生物學(xué)研究[4]，和人機界面的技術(shù)及軟機器人和增強現(xiàn)實[5]等方面意義巨大。本文從柔性電子皮膚的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及簡單的展望三個方面對該領(lǐng)域進行闡述，希望讀者能通過本文對該領(lǐng)域有一個基礎(chǔ)的了解。
一、電子皮膚的理論基礎(chǔ)
人體皮膚上的電子器件通常包括但不限于兩種類型的組件：用于人類交互的輸入/輸出設(shè)備（輸入可以是例如傳感器元件；輸出可以是顯示器），以及用于人體交互的電子電路。采用不同的傳導(dǎo)方法將外部的刺激轉(zhuǎn)化為電信號是電子皮膚研究的基本理論基礎(chǔ). 常見的方法有電阻式、電容式和壓電式傳感技術(shù).
電阻式壓覺傳感器主要是通過所加載的力來改變導(dǎo)電材料之間的接觸電阻和導(dǎo)電復(fù)合材料中的電路傳導(dǎo)路徑來達到檢測力的目的，柔性的電阻式傳感器單元通常選用硅橡膠以及柔性聚合物材料等作為柔性基體。電容式壓力傳感器主要采用傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu), 上層、中間層和下層。上層復(fù)合驅(qū)動電極, 底層復(fù)合感應(yīng)電極，中間層一般使用超彈材料。當在平行板電容的表層加載力時, 會引起感應(yīng)電極和驅(qū)動電極之間的極板面積和距離發(fā)生變化, 通過電容的變化, 達到檢測的目的。壓電式傳感器是基于正壓電效應(yīng)的傳感器.
展開 來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術(shù)的發(fā)展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設(shè)備的“新載體”。運用柔性電子設(shè)備結(jié)合無線通信技術(shù)可以提高信號采集的準確性和多樣性，在臨床檢測和精準醫(yī)療中有巨大應(yīng)用潛力。
然而，柔性電路工作時會產(chǎn)生并積累焦耳熱，導(dǎo)致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應(yīng)同樣會對柔性傳感系統(tǒng)的信號采集造成干擾。因此，開發(fā)可以與柔性電子設(shè)備良好結(jié)合的柔性材料，實現(xiàn)器件散熱、抗環(huán)境干擾等功能成為目前國際學(xué)界及工業(yè)界關(guān)注的前沿課題。現(xiàn)有的熱管理技術(shù)主要以基于熱傳導(dǎo)和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設(shè)備中。
02
成果掠影
香港城市大學(xué)于欣格/雷黨愿團隊開發(fā)了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設(shè)備中的溫度，從而實現(xiàn)大于56°C的溫度降低。USRI的輕質(zhì)和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設(shè)備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩(wěn)定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結(jié)果為在先進的皮膚界面電子設(shè)備中實現(xiàn)有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫(yī)療保健監(jiān)測。
展開 人體皮膚是活躍、敏感和高彈性的感覺器官，承擔著保護身體、排汗、溫度調(diào)節(jié)、感知冷熱和壓力等功能。人體軀體感覺系統(tǒng)能夠通過皮膚中的觸覺、溫度、痛覺等感受器，將外界環(huán)境刺激轉(zhuǎn)化為電脈沖信號，經(jīng)過神經(jīng)通路傳導(dǎo)至神經(jīng)中樞，從而使皮膚獲得觸覺、痛覺等感覺功能。基于皮膚這種多功能生物模型，科學(xué)家們開展了一門新興學(xué)科研究——觸感電子學(xué)（俗稱“電子皮膚”，Electronic skin, E-skin），用來模仿皮膚的感覺功能如觸覺、溫度感知等功能。
目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環(huán)境中的各種物理、化學(xué)、生物等信號，將有助于開發(fā)新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統(tǒng)。此外，電子皮膚的重要發(fā)展趨勢是多功能化與多重刺激同步監(jiān)測。
近日，在中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導(dǎo)下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測能力擴展到7種，實現(xiàn)溫度、濕度、紫外光、磁、應(yīng)變、壓力和接近等多種外界刺激的實時同步監(jiān)測。
研究人員通過微納加工技術(shù)，制備出大倍率（8倍及以上，可根據(jù)需要設(shè)計）的聚酰亞胺（PI）拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中包括眾多傳感器節(jié)點和蜿蜒拉伸結(jié)構(gòu)。基于這種拉伸結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結(jié)構(gòu)進行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨立工作而不互相影響。
利用基底的可拉伸性能，可實現(xiàn)電子皮膚的探測面積擴張，為其進一步的功能擴展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。
展開 【背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，是保護內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動等）刺激。在生活中，人不可避免的會受到外傷（戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的肢體保護和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實意義。電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫(yī)學(xué)診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關(guān)重要。例如，鮑哲南團隊通過引入微結(jié)構(gòu)聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，使獲得的電子皮膚具有前所未有的靈敏度和快速的響應(yīng)時間。雖然PDMS具有良好的生物相容性，但是它具有不透氣的缺點，因此不適合人長時間穿戴。同時，柔韌性是電子皮膚模擬人體皮膚機械性能的關(guān)鍵因素。其中Rogers團隊通過將松散的蛇紋石納米帶與彈性體基底相結(jié)合，將傳統(tǒng)的脆性材料轉(zhuǎn)化為高度柔韌、可拉伸和高性能的電子皮膚。可見通過合理地設(shè)計和集成，電子皮膚是可以實現(xiàn)甚至超越真實皮膚的性能。
眾所周知，皮革是從動物皮膚獲得的傳統(tǒng)天然材料，同時擁有皮膚的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。通過傳統(tǒng)的皮革工藝，可以使皮革恢復(fù)類似皮膚的柔性，但皮革的重要的感知能力仍未開發(fā)。盡管Rogers團隊使用PDMS作為粘合劑將硅器件粘合在皮革上，但他們僅將其作為簡單的基底處理，而忽略了皮革結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)點。皮革的多級結(jié)構(gòu)使其易于擔載其它材料，具有制備高性能電子皮膚的潛能。通過將皮革與多樣化、功能化的納米材料相結(jié)合，可以使這一“死了的皮膚”，“起死回生”重新賦予它類似皮膚，甚至超越皮膚的功能。
【成果簡介】
最近，西北工業(yè)大學(xué)的黃維院士、南京工業(yè)大學(xué)的霍峰蔚教授和四川大學(xué)的黃鑫教授（共同通訊作者）等報道了一種簡單的、可設(shè)計的皮革電子皮膚。
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電子皮膚支架的相關(guān)專題、標簽、搜索
電子皮膚支架的最新內(nèi)容
來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術(shù)的發(fā)展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設(shè)備的“新載體”。運用柔性電子設(shè)備結(jié)合無線通信技術(shù)可以提高信號采集的準確性和多樣性
除了有效重建和修復(fù)皮膚外，
下一代組織工程皮膚支架有望通過電刺激提供感覺恢復(fù)
。結(jié)合損傷運動活動的實時監(jiān)測，可以通過提供詳細的數(shù)據(jù)指導(dǎo)臨床實踐，從根本上提高治療效果。最近，
一種機械柔性、電活性和自修復(fù)水凝膠
(MESGel) 被設(shè)計用于電刺激加速傷口愈合和運動傳感的組合功能。
MESGel 具有出色的生物相容性和多功能治療特性，包括柔韌性、自愈特性、生物降解性和生物電活性
【背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，是保護內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動等）刺激。在生活中，人不可避免的會受到外傷（戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的肢體保護和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實意義。電子皮膚是一種模仿人體皮膚功能的人工皮膚。研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫(yī)學(xué)診斷、仿生假肢以及人工智能的研究都至關(guān)重要
【背景介紹】
皮膚是人體最大的器官，是保護內(nèi)部器官的物理屏障，并擁有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來感知環(huán)境（溫度、壓力、振動等）刺激。在生活中，人不可避免的會受到外傷（戰(zhàn)爭、自然災(zāi)害等），損壞皮膚，因而人工皮膚在前期的保護免受傷害和后期的仿真修復(fù)都具有很大現(xiàn)實意義。而電子皮膚是一種模仿的人體皮膚功能的人工皮膚。在人工智能研究領(lǐng)域中，研發(fā)出能夠模仿甚至超越人類皮膚的電子皮膚對于醫(yī)學(xué)診斷和仿生假肢都至關(guān)最要
國工程院院士、被譽為中國3D打印之父的盧秉恒在近日舉行的第三屆中德智能制造產(chǎn)業(yè)化合作峰會上透露，目前血管支架、人造皮膚甚至人工肝臟、人工心臟都可3D打印。
3D打印技術(shù)和智能制造密切相關(guān)，并支持智能制造快速開發(fā)和個性化設(shè)計。在盧秉恒看來，3D打印還帶來產(chǎn)品裝備的顛覆性變革，例如GE公司利用3D技術(shù)打印飛機發(fā)動機噴油器，提高燃油效率15%，發(fā)動機前進了一代；利用3D技術(shù)打印汽車，2萬個零件可以集成為
近期，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授郭傳飛課題組在仿生微結(jié)構(gòu)柔性電子皮膚領(lǐng)域取得重要進展，研究成果發(fā)布在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Advanced Electronic Materials》等國際期刊上。
郭傳飛課題組的主要研究方向是基于薄膜材料的微納米加工方法、柔性透明電極的制備、納米結(jié)構(gòu)薄膜的生長，以及這些材料在新型光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和納米能源領(lǐng)域的應(yīng)用
皮膚是人體最大的器官，在人類與外部環(huán)境的交互中起著重要作用。電子皮膚最初出現(xiàn)在大眾的視野中是科幻作品，比如《星球大戰(zhàn)》的假手和《終結(jié)者》中的機器人。使用電子設(shè)備重建皮膚的特性在醫(yī)療、機器人、人造假肢、可穿戴設(shè)備等諸多領(lǐng)域，都有著很好的應(yīng)用前景。尤其是能夠無縫粘附到人體皮膚或體內(nèi)的電子皮膚，對于諸如健康監(jiān)測[1]，醫(yī)學(xué)治療[2]，醫(yī)療植入物[3]和生物學(xué)研究[4]，和人機界面的技術(shù)及軟機器人和增強現(xiàn)實
電子設(shè)備與人體組織的整合是長期以來的一大挑戰(zhàn)。其中需要解決的一個問題是材料的機械性能與軟組織結(jié)構(gòu)的不匹配，這可能影響器件的性能和可靠性。因此，人們越來越關(guān)注如何制造可以整合到組織中的可兼容電子設(shè)備。盡管在彈性體上運用不同的技術(shù)來設(shè)計柔性電子裝置，但這些裝置的剛性并不與軟組織的剛性相近，例如在大腦中的軟組織。
為此，由卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的Christopher J.
【引言】
通過功能性電子器件來模擬人類皮膚的基本特征是發(fā)展智能技術(shù)的重要一步，近年來具有類人類感知能力的人工皮膚成為一個重要的研究方向，而其中電子皮膚的研究更吸引了廣泛的研究興趣。電子皮膚需要覆蓋動態(tài)且不規(guī)則的表面，而且能夠承受多種重復(fù)、長時間的機械刺激（比如壓力、應(yīng)變和彎曲等）。作為多功能傳感器，還要滿足高拉伸性、高靈敏度、寬感應(yīng)范圍以及快速響應(yīng)的要求
【引言】
模仿人類皮膚的柔軟且可變形的電子器件適用于下一代可穿戴電產(chǎn)品，假肢人造皮膚和基于高性能材料的植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，具有巨大的實用價值并將深深地改變?nèi)藗兊纳罘绞健６圃炀哂腥祟惼つw自愈合特性的柔性電子器件極具挑戰(zhàn)性。為了模仿人體皮膚的修復(fù)性而開發(fā)的可自修復(fù)的材料有可能使可拉伸電子設(shè)備薄而柔軟的結(jié)構(gòu)在偶然的機械損傷中變得非常穩(wěn)健，并且可以防止器件遭到永久性損壞
