黑科技“电子纹身”技术能否成为未来可穿戴医疗的出路

    目前中韩美三方合作的一支研究团队，最近研发的一款新型体表电子设备，极有可能彻底重新定义什么叫做可穿戴设备。

　　以智能手表为代表的智能可穿戴设备算是以一种半红不火的方式进入了我们的生活，尽管在目前来看，“做手机的”同时还要“会做手表”已经成为了一种新常态，但即便是iWatch所掀起波澜也不足当年iPhone的万分之一。在笔者看来，可穿戴设备还没有成为一个真正成熟的产品，其终究原因还是一个体验问题——佩戴的舒适性、电池的续航能力、当然还有个最重要的问题，到底酷不酷。而目前中韩美三方合作的一支研究团队，最近研发的一款新型体表电子设备，极有可能彻底重新定义什么叫做可穿戴设备。

　　目前所谓的体表电子设备——也被称为“电子纹身”——基本还处于实验阶段，其构想就是将我们所熟知的电子装置——由芯片、天线、内存等元件组成——直接附着在人体表面，完成诸如监测体表温度、显示用户身份等功能。对体表温度的监控，能够让医生、测谎师等的工作更加简单；而身份验证功能让身份证、信用卡，甚至车钥匙一去不复返，只要挥一挥衣袖，就可以带走你想要带走的东西，比之于二维码，更加安全和便捷。

　　在笔者看来，这项技术的前景是十分诱人的，很可能将会重新定义未来的可穿戴电子设备，随着技术的进一步发展，将整台电脑搬到人的皮肤表面或许也都不是梦想。既然这一切看起来都很美，那为何研究还只停留在实验阶段？

　　因为电子纹身在能量供应方面，存在很大的瓶颈：其自身无法制造或储存能量，只能通过第三方设备发射的微波供能（其原理就和在家用微波炉热菜一样），但外部的能量供给繁琐而不稳定——这显然限制了电子纹身的进化，因为复杂的功能注定需要稳定和充足的能量供给来支撑。

　　所以，人们一直希望能在体表上直接实现能量的转化与储存，五花八门的创意随之粉墨登场——通过压电材料（能将外界施加于其上的力转化为电压）、摩擦生电、热生电等方式产生能量；相应的能量储存媒介则选择能量密度较高的电池和超级电容（supercapacitor）等。

　　但是，这些装置对于人类皮肤来说始终过于庞大和坚硬了，你能够想象仅仅为了随时监测自己的体温，在胳膊上绑一个小号哑铃的情景么？所以一个好的电子纹身的第一步，是可以自发电、佩戴轻巧舒适并且最好能够贴合人体皮肤的电源。

    怎么拗都能坚持工作的小强

　　今天要介绍的这款电子纹身，很好得完成了以上提出的各种要求：它由双pn结太阳能单元和锂电池组成，两者均被制成大约3×3mm的微小颗粒，由可伸缩的电路相连，并在能量管理芯片的协同下工作，最后，通过多层超薄弹性材料的包裹，实现电子元件和皮肤表面的贴合与固定，并起到保护作用，可谓麻雀虽小，五脏俱全。

　　双pn结太阳能单元：所谓pn结，就是我们常说的半导体材料单元，比如LED灯就是其中一种，在这样的pn结两端施加一定的电压，它就能发射出一定频谱内的光线，比如红色、蓝色等等；而这个过程被反向运用在了太阳能板中——太阳能单元可以吸收一定频率段内的光线，产生电能。普通太阳能板中只有一种pn结，只能吸收一段频率段内的太阳光，能量转化效率只有30%；而双pn结的优势在于它的两个pn结能够吸收不同频率段的光线，将能量转化效率提高到40%以上。对于需要高效率吸收光线而不考虑成本的应用领域，比如航天器，pn结的个数还可以进一步增加，当然转化效率也会进一步提升。

　　下面图1揭示了这款新型电子纹身的基本构造，主要的两层分别是由太阳能单元、锂电池和控制芯片构成的电路，以及保护此电子结构的弹性保护膜。

　　图1：新型电子纹身分解图，最上面的是紧贴皮肤的封装层（encapsulation）；第二层是能量模块（power management circuit），由太阳能单元/锂电池/控制芯片组成，通过电路（interconnect）相连；最下面是起保护作用的超低模量硅层（ultra-low modulus siliconeinterlayer）和弹性基板（stretchable substrate）

　　此电子纹身在机械方面最大的挑战，是在皮肤表面发生变化时，如何保证其电子元件的正常运行。此电子纹身的机械设计解决了这个问题，这要归功于包裹能量单元的上下两层保护膜，以及之字形排布的连接线，如图2所示。

　　图2：电子元件的下层保护膜结构，以及连接电子元件的之字形电路，在此设计下，尽管电子纹身的形变使主层发生了大规模的应变，但对电子元件层则几乎没影响。

　　此设计的思路，就是要在匹配皮肤形变的前提下，通过保护膜和连接线，将电子元件的应变控制在允许范围内（引起元件屈服的相对应变临界值在0.3%左右）。保护膜分为两层，主层（core）的弹性系数（~3 kPa）远远低于副层（shell，~60 kPa），就像是给弹性十足的橡胶（副层）覆上一层柔软的棉花（主层）。

    屈服点（yieldpoint）：一般来说我们把材料从弹性形变（可恢复）向范性形变（不可恢复）转变的那个点叫做材料的屈服点，一旦电子元件的应变超过了屈服点，就可能造成损坏。

　　图2中的FEA（有限元分析）结果展示了此设计所带来的收益——电子纹身的形变发生时，主层的相对应变超过100%，但电子元件（Electronics）的相对应变则几乎可以忽略不计（请注意不同的数值标准），只是在连接线上，有轻微的应变发生。

　　图3展示了另一个动态拉伸实验的FEA结果：当电子纹身对折时，虽然主层的相对应变高达80%，但电子元件的相对应变，只有0.1%左右。

　　图3：新型电子纹身在对折时，不同部位的相对应变

　　现在，我们来研究一下这样的设计究竟改变了什么：

　　首先，之字形的连接线能够在整个电子纹身收缩时收拢，在伸长时舒展，就像是一个缓冲带，卸去了大部分原本应该施加在电子元件上的应力（应力引起应变）；

　　其次，在直观上，我们似乎看不出双层保护膜的设计有什么作用，实验证明，其实双层保护膜设计的重要性，并不比之字形连接线少。假设此电子纹身没有电子元件，那么剩下的，就是柔软的保护膜和连接线；当坚硬的电子元件加入时，整个电子纹身自然就会变硬，其杨氏模量（Young'smodulus，应力与应变的比值）就会提高。

　　如果主层使用的是超低弹性系数的材料，那么电子纹身的杨氏模量只提高15%；但如果主层使用了普通弹性材料，杨氏模量则会提高到原来的300%。

　　这意味着，主层采用超低弹性系数的材料，能让整个电子纹身的“柔软度”增加了20倍！这基本上让整张电子纹身从盔甲变成了皮肤。另一个更大，也是更重要的好处就是一个“柔软”的主层可以让粘附在上面的电子元件具有更高的“自由度”，以便随着主层“移动”，这样一来可以大幅减少电子元件所承受的形变。

　　再次，根据实验结果，当主层为超低弹性模量材料时，此电子纹身允许的最大相对形变为大约39.2%；而主层为普通弹性材料时，这个数值瞬间降到只有9.7%。

　　最后，相比于普通材料，实验中的超低弹性系数材料能将应变的发生速率降低到1/20。

　　简单来说，双层保护膜的设计让整个电子纹身更柔软，适应于皮肤，并且不容易断裂，同时还承担了整体应变的绝大部分，从而将电子元件可能发生的应变减小、减缓了。

　　另外，FEA结果也显示，厚度在200μm以下的主层不能有效地起到保护效果；而厚度大于300μm的主层的保护效果则不再提升，所以，此电子纹身选择了300μm的主/副保护层设计。

　　超低弹性系数的主层，普通弹性系数的副层，再加上之字形排布的连接线，能将整个电子纹身的形变能力提升到人体皮肤的2倍。这里谈论的形变，不仅包括轴向的拉伸和收缩，也包括翻转、螺旋、折叠等等（如图4），因此，将此电子纹身附着在人体表面是没有任何物理层面的问题的，甚至人自身都可能感觉不到它的存在。

　　图4：电子纹身的不同形变方式

　　能量自给自足的多面手

　　聊完了机械性质，让我们来看看这个电子纹身的电子性质：

　　拿一个2×2的小型系统来测试，如果全部选择太阳能单元，在两两串联然后再并联的情况下，它能够产生4.4V的开路电压、 3.4mA的短路电流，以及12.5mW的功率，填充因子（fill factor，FF）达到0.84（FF=功率/（开路电压×短路电流））；如果选择4个并联的锂电池，此系统可以在大约3.8V电压和100μA的电流下，持续供电2小时。30%以下的双轴形变率不会影响此系统的电子性能；在15%的形变率下，系统在实验室中成功完成了1000次充放电循环。

　　这只是功能单元最简单的两种组合方式，通过灵活安排太阳能单元和锂电池单元的组合和数量，我们可以让这个电子纹身满足许多不同的任务要求（电压/电流/功率/工作方式/工作时间）；而与功能单元相同大小的能量管理芯片，也可以在软件层面实时控制整个电子纹身的运行。

　　图5：此款新型电子纹身在热成像领域的应用场景

　　图5列举了这个电子纹身在热成像领域的一些应用场景，包括监测正在进行锻炼的人员的体表温度——如图5A。研究者在志愿者身上不同部位安放了由温度传感器、锂电池和能量管理芯片组成的的温度监测装置，它会以每10秒取样1次的速率将温度信息传送到外部手机中，并由相对应的APP处理信息。图5B中可以看到，在运动开始之后，志愿者的体表温度急剧下降，这和皮肤表面的汗水蒸发有关，而在运动结束之后，体表的温度会逐渐上升，最终回到平静状态时的温度。

　　同时进行测试的红外线热成像仪也支持此装置的测试结果（图5C）。图5D中的图表，则显示了一位志愿者在呼吸时，体表的温度变化，显然，在深呼吸时，体表的温度变化间隔较长，也较剧烈。而体表温度可以反映一个人的生理状态，过低/过高的温度都预示着身体机能的变化，这样的体表温度监测装置可以作为辅助的测谎仪、或者生命体征监视仪。图5E中是一个温度报警器，结构原理和之前的体表温度监测装置类似，当温度传感器感知的温度高于/低于某一临界值的时候，警报灯（LED）就会亮起——此报警器具备防水功能，所以温度测试也可以在水下，或者在恶劣的天气环境下进行。

　　当然，这款电子纹身需要解决的问题还有很多，比如如何将其固定在皮肤上，或者如何解决皮肤的透气问题等等。然而瑕不掩瑜，新问题本来就会伴随着解决方案而产生。但仅仅“柔性”太阳能单元这一点，就应该潜藏着无限可能。

　　接下来的任务就变得相对简单，把电子通讯模块、内存、运算系统以及各种感知系统小型化、轻量化、节能化并最终整合到电子纹身中去，随着科技的进步，这款电子纹身会拥有不断的升级潜力，从智能可穿戴设备到智能手机等等。对于整个电子纹身产业来说，体表的电源意味着大楼夯实了地基，至于是要造购物中心，还是工厂学校，就等各位技术大拿们自由发挥了！