可穿戴生物電子的案例
《Science》子刊：給可穿戴電子供能—柔軟、可延展的微型熱電“彈簧”
近年來發展火熱的物聯網被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，然而如何給物聯網中的微電子設備供能是一大難題。熱電發電器的應運發展，恰好成為最有前景的解決方案之一。其中，最有代表性的即為主要由二維薄膜熱電材料制成的柔性、微型熱電發電器，優異的幾何和力學特性使其在可穿戴電子等領域有著廣闊前景。然而，二維薄膜熱電發電器與采集環境的熱阻不匹配問題（thermal impedance mismatch）一直困擾研究者多年。與電阻類似，熱阻的大小與熱傳遞方向的距離密切相關。對于二維薄膜熱電發電器來說，這個距離受厚度所限，一般不超過幾個微米。當它工作于皮膚表面時（圖1a），熱傳遞方向的熱阻極小，導致溫差和熱電轉換效率大打折扣。一個最直接的解決方案是將二維材料卷起來并豎立在皮膚表面，從而大大提高熱傳遞方向的距離（圖1b）。可惜利弊相依，這種方案同時帶來了制備工藝上的困難和力學柔性上的犧牲。有沒有一種方法，既能保留二維薄膜材料的力學柔性，又可以增加熱傳遞方向的距離？
圖1：（a）二維薄膜微型熱電發電器置于皮膚表面的示意圖。（b）將薄膜卷曲豎立形成三維熱電發電器置于皮膚表面的示意圖。
近日，美國西北大學John A. Rogers教授、G. Jefferey Snyder教授和黃永剛教授課題組合作，在Science Advances上發表了題為 “Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting in miniature flexible devices”的論文，基于傳統半導體加工工藝，首次提出了利用非線性屈曲力學組裝來實現的一種三維微型熱電發電器。
展開 西交大Advanced Materials：電場可調低功耗可穿戴自旋電子器件
【引言】
生物與數字世界之間的無縫連接已經成為未來電子技術發展的必然趨勢。柔性電子器件因其所具備的柔韌性，便攜性，可穿戴性，已經成為發展功能器件的尖端領域。然而柔性自旋電子器件的研究卻仍然局限于其磁性調控方式，因為傳統的磁鐵調控方式具有體積龐大、高功耗、高熱量、響應慢等缺點，嚴重制約了柔性自旋器件的實際應用。
【成果簡介】
近日，西安交通大學電信學院“青年千人”劉明教授課題組研究了基于電場調控的柔性自旋電子器件，并實現了磁疇翻轉的可視化觀測。該成果首次嘗試將磁電耦合效應從平面研究推廣到柔性曲面研究，很好地填補了柔性自旋電子領域磁電復合技術的空白，具有突破性的意義。柔性基底上電場可控的反鐵磁-鐵磁轉變迎合了當前磁性器件的功能需求，因而該成果將為新一代可穿戴，低功耗，快響應，易集成柔性電子元器件的制備與研發打下堅實基礎。
【圖文導讀】
圖1不同基底的(Pt/Co)2/Ru/(Co/Pt)2人工反鐵磁實物圖片及其基本磁性表征
(a)Kapton (I)和云母上(II)呈彎曲態的(Pt 9 ?/ Co 7.5 ?)2 / Ru (0.95nm)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)人工反鐵磁。 右圖III顯示的是離子膠(IG)； (b)和(c)是(Pt / Co)2 / Ru /(Co / Pt)2 / Ta / Mica人工反鐵磁的磁滯回線Ru厚度依賴特性； (d-i)在極性MOKE模式下觀察到的(Pt 9 ? / Co 7.5 ?)2 / Ru(10.3 ?)/ (Co 7.5 ? / Pt 9 ?)2 / Ta(3.5nm)/Mica結構的垂直動態磁化反轉。
展開 可穿戴｜劍橋大學開發新型電子織物，可被制成電視功能窗簾或智能衣物
研究人員基于此方案，使用纖維編織了一些電子組件，其可靠性和耐用性得到了整體提高。最后，他們還使用導電粘合劑和激光焊接技術將多個光纖組件連接在了一起。
結合這些技術，研究人員最終通過現有成熟的、可擴展的紡織品制造工藝將多種功能模塊整合到一塊大尺寸的智能織物上。
由此技術制造的智能織物可以用作顯示器、監控各種輸入或存儲能量以備后用。該織物可以檢測射頻、觸摸、光線和溫度信號。它也可以卷起來，因為它是使用現有成熟紡織工藝制造的。可以想象，未來我們可以用這種方式制造大尺寸可卷起的功能性織物。
研究人員表示，他們的這種織物顯示器原型為下一代電子紡織品應用鋪平了道路，應用領域包括可以產生和儲存自身能源的智能和節能建筑、物聯網 (IoT)、分布式傳感器網絡和交互式顯示器等領域。
“我們的這種方法建立在微納米技術、顯示器、傳感器、能源技術和現有紡織制造工藝的融合之上，”劍橋大學工程系與Luigi Occhipinti博士以及Manish Chhowalla教授共同領導這項研究的Jong min Kim教授說道，“這是我們朝著在日常應用中充分利用可持續、便捷電子纖維和電子紡織品方向邁出的重要一步，而且這也僅僅是個開始。”
“通過集成基于光纖的電子、光子、傳感和能源功能，我們可以設計和制造出全新類別的智能設備和系統，”同樣來自劍橋大學工程系的Occhipinti博士說，“通過釋放紡織品制造的全部潛力，我們很快就會看到自供電物聯網設備無縫集成到日常物品和許多其他行業應用中。”
目前，這些研究人員正在與歐洲的一些合作者展開合作，以期望將該技術用到人們日常接觸的生活物品上。另外，他們還有一個研究方向——將一些可持續材料整合為纖維，進而提供一種新型能源紡織系統。
展開 納米能源所：用于可穿戴電子器件的自愈合固態聚合物電解質！
此外，固態聚合物電解質中的超分子框架還可以使鋰金屬電池具有靈活性，能應用于可穿戴電子設備。
本文中，作者通過動態交聯亞胺鍵設計并合成了用于柔性固態鋰金屬電池的一種新的聚環氧乙烷基自愈合固態聚合物電解質，這種自愈合固態聚合物電解質具有良好的自愈合能力、優異的力學性能和電化學特性，基于可逆亞胺鍵的動態共價聚合物網絡，通過降低聚合物結晶度顯著改善自愈合固態聚合物電解質的離子導電性，并賦予電解質強粘附性，這有利于電解質與電極之間的有效接觸。所制備的自愈合固態聚合物電解質在25°C下的離子電導率高達7.48×10?4，電化學窗口較寬，極限拉伸應變達到524%，此外，這種電解質材料可以自發地恢復其結構和功能，而無需額外的外部處理。組裝的Li|SHSPE|LiFePO4電池在室溫下具有極好的循環穩定性，循環300周后比容量超過126.4mAh g?1。基于這種特殊的自愈合固態聚合物電解質的相應固態鋰金屬電池在室溫下具有穩定的循環性能，在可穿戴電子器件中具有廣闊的應用前景。
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清華大學張瑩瑩AM: 一篇綜述帶你領略柔性可穿戴電子器件中碳材料的風采
碳材料基柔性超級電容器的設計、制備
碳納米管（左）、石墨烯（中）、生物質基碳材料（右）在柔性超級電容器中的應用。
圖12. 碳材料在柔性金屬-空氣電池中的應用設計
碳材料在柔性三明治結構鋅-空氣電池中的應用（左），碳材料在柔性纖維/電纜狀鋅-空氣電池中的應用（右）。
（五）多功能可穿戴系統的集成
圖13. 不同功能的柔性可穿戴生理信號傳感器的集成
多功能集成式生理傳感器。
圖14. 柔性可穿戴生理信號傳感器和電化學傳感器的集成
圖15. 自供電可穿戴系統：柔性可穿戴傳感器件與柔性能源器件的集成
【小結】
該綜述總結了應用于高性能柔性可穿戴電子器件的各種碳材料的結構設計和可控制備方面的最新進展。由于碳材料獨特的優勢（例如良好的導電性、高化學和熱穩定性、可設計成各種柔性宏觀形態、以及易于化學功能化），碳納米管、石墨烯和其他碳材料已被廣泛研究應用于柔性電子器件。除了貼于人體皮膚或集成到衣物的柔性可穿戴電子器件外，將功能性碳材料與生物相容性材料的結合，以探索其在可植入式柔性電子器件中的應用，或將成為碳材料在柔性電子領域另一重要的應用研究方向。作者相信，應用于構筑柔性電子器件的先進碳材料的設計、制備和相應加工技術的開發將會極大地促進下一代智能醫療系統的發展。
【團隊介紹】
張瑩瑩課題組隸屬于清華大學化學系，兼屬清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心。
展開 可拉伸的紗線嵌入式摩擦納米發電機作為電子皮膚用于生物力學能量采集和多功能壓力傳感
【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展智能技術的重要一步，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且不規則的表面，而且能夠承受多種重復、長時間的機械刺激（比如壓力、應變和彎曲等）。作為多功能傳感器，還要滿足高拉伸性、高靈敏度、寬感應范圍以及快速響應的要求。目前，多種柔性可拉伸的電子皮膚已經被成功開發出來，能夠測量人類活動所產生的電信號。這些傳感器是基于諸如壓電性、電容以及壓阻效應等不同機理。摩擦納米發電機是一種能夠實現能量富集和自供電的傳感技術，將其與電子皮膚相結合有望為下一代可穿戴電子產品、個性化醫療以及人機界面等領域帶來新的機會。
【成果簡介】
近日，美國佐治亞理工學院王中林教授課題組開發了一種簡單、低成本的方法制備可拉伸的摩擦納米發電機的方法，其可以用作多功能電子皮膚，并實現了生物力學能量的采集以及多種機械刺激的感知。通過在硅橡膠彈性體中嵌入連續的“鏈式”柵欄狀交錯的導電網絡，賦予了該種電子皮膚以良好的透明性和拉伸性、高壓敏感性以及優異的機械穩定性。研究表明，該摩擦納米發電機能夠點亮高達170個LED，而且其作為多功能傳感器能夠監測人的諸如動脈脈沖和聲音振動等生理信號。
展開 西南交大楊維清/張海濤，UCLA陳俊：空氣穩定的導電聚合物油墨，打印可穿戴微型超級電容器
【總結】
團隊提出了一種組裝分散策略，用于可擴展制造的空氣穩定的低成本導電聚合物油墨，以打印可穿戴式
MSC。
CP墨水具有386.9 F g
-1
（在0.5 A g
-1
的情況下）的高比電容以及良好的導電性。從這種CP油墨衍生而來的結果表明，
打印
的可穿戴MSC具有較高的面電容（96.6 mF cm
?
2
），較大的體積電容（26.0 F cm
?
3
），出色的速率能力以及2.4 mWh cm
?
3
的可觀能量密度在功率密度為238.3 mW cm
-3
的情況下，超過了大多數最先進的基于導電聚合物的超級電容器。
開發的空氣
穩定，經濟高效且環保的導電聚合物油墨不僅為可打印的電化學儲能裝置提供了廣闊的前景，而且還可以擴展到支持下一代可穿戴生物電子學的其他打印電子應用中。
參考文獻
：doi.org/10.1002/smll.202100956
版權聲明
：「
高分子材料科學
」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
【往期回顧】
《J. Mater. Chem. A》武大段博/川大傅強：拉伸誘導取向，高強度和導熱的纖維素/氮化硼薄膜水凝膠
《大分子》浙大吳子良/鄭強/杜淼，華工孫桃林：氫鍵締合介導的韌性超分子水凝膠的動力學和粘彈性
南開大學孫平川《ACS Macro Letters》生物啟發的聚氨酯，具有帶有協同動態鍵的多功能嵌段模塊
展開 中山大學付俊教授團隊JMCB封面綜述：組織粘附型水凝膠生物電子學
柔性生物電子學在電子皮膚、可穿戴設備、生物醫學電子學等方面具有廣闊的應用前景。水凝膠的機械性能與生物組織相似、生物相容性優異、理化性能可靈活調控，在生物電子學領域具有獨特的優勢。柔性器件與組織界面作用對柔性電子器件的性能有重要影響，組織粘附型電子器件可以與生物組織形成密切、穩定的界面作用，形成高度順應和仿形的界面，對可植入可穿戴生物電子學具有非常重要的意義。
中山大學付俊教授團隊在高性能水凝膠高靈敏、線性傳感器(Chem Mater 2018，30, 8062-8069；J Mater Chem B 2020, 8, 3437-3459；Polymer 2020, 192, 122319；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 51969-51977；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 52307-52318；J Mater Chem B 2021, 9, 2561-2583)，組織粘附型傳感(ACS Appl Mater Interfaces 2019, 11, 3506-3515；J Mater Chem B 2019, 7, 24-29；ACS Appl Mater Interfaces 2020, 12, 46816-46826)等方面取得了系列創新研究成果，為研制植入式傳感器，實現組織器官運動遠程實時監測提供了新思路（Mater Horiz 2020, 7, 1872-1882）。
展開 ：具有高度濕熱舒適性的仿生Janus蠶絲電子織物用于高效汗液傳感
可穿戴的生物電子能夠隨形地、實時地檢測人體健康狀況，受到了科學家們的廣泛關注。特別是近年來，可穿戴汗液傳感器的興起，使得無創地追蹤各種生理指標成為現實。但是，在長期監測過程中，傳感器下方積累的汗液會極大地影響設備濕熱舒適性。因此，如何改善用戶的穿戴體感，同時保證優異的傳感性能成為當前急需解決的問題。
基于上述背景，深圳大學醫學部許太林和張學記教授團隊通過優化傳感器的表面浸潤性來實現這一目的。該團隊選取具有良好的生物相容性和優異力學性能的天然蠶絲織物作為整個傳感器的核心材料，利用低表面能的十八烷基三氯硅烷（OTS）和蠶絲織物上絲素蛋白（Fibroin）產生的化學反應，制備了超疏水的蠶絲基底。隨后，只對疏水蠶絲織物的一側進行等離子體（Plasma）處理，形成類似荷葉的一面疏水一面親水結構，即Janus 蠶絲織物（Janus silk textile）。因其正反兩側極端的表面能差異，這種Janus silk具有單向輸水特性，可將水分從疏水側泵送至親水側，反之則不行。
圖 1 Janus silk textile的表征和單向輸水特性
研究團隊巧妙地利用這種單向輸水性質為表皮營造了良好的濕熱舒適性：相較于傳統織物，Janus silk textile將汗液更充分地從皮膚側（疏水側）排至環境側（親水側），消除了汗液在皮膚上的滯粘，營造了干爽的穿戴體感。
展開 香港城市大學王鉆開教授團隊《Adv. Mater.》：基于全固態離子導電彈性體高精度3D打印智能柔性器件
在眾多3D打印技術中，數字光處理（DLP）具有打印速度快、分辨率高、成本低等優點，在醫療設備、航空航天結構、智能電子器件和軟機器人等工程應用中顯示出無與倫比的優越性。然而，目前3D打印依然受到各種因素的限制，尤其是可選擇的打印材料種類非常有限，并且常用的熱固性或熱塑性樹脂是剛性和非導電材料，極大地限制了3D打印在柔性電子器件中的應用。近年來，3D 打印軟導電材料（如水凝膠/離子凝膠）的快速發展為可穿戴觸覺設備和生物電子等智能應用開辟了新機遇，但是仍然面臨一些無法逾越的瓶頸：水凝膠/離子凝膠內液體容易蒸發或泄漏，導致其電學和機械性能的穩定性欠佳。雖然通過設計光固化離子 彈性體可以克服這些難題，但是目前大多數離子 彈性體的光聚合動力學較慢和光固化效率極低。因此，迄今鮮有高精度3D打印的離子 彈性體被報道。
基于此，香港城市大學王鉆開教授團隊報道了一種可快速光固化的全固態導電離子 彈性體（SCIE），實現了導電軟材料的高分辨率3D打印，從根本上解決了3D打印凝膠在應用中溶劑蒸發或泄露的難題。與傳統3D打印導電凝膠相比，SCIE不僅能打印出高分辨率的懸垂晶格結構（~50 μm）,而且在較寬的溫度范圍內展現出優秀的力學性能、可拉伸性、導電性以及抗疲勞能力。通過設計與優化拓撲結構，3D 打印柔性觸覺傳感器表現出高無結構設計傳感器幾倍的靈敏度。此外，SCIE還具有優異的普適性，可以與其他功能性無機材料復合，為 3D打印功能材料的設計提供了新范式，同時也推動了 3D打印在智能柔性電子器件中的應用。
圖1. 3D打印SCIE的設計和優點。（a和b）SCIE的實物照片和分子設計。（c）SCIE的電壓-電流曲線。(d) SCIE的光固化動力學。（e）SCIE的機械性能。（f）SCIE與商用打印材料粘度的對比。
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