本报讯 不久的将来,超薄电子材料将像临时纹身贴一样(“电子贴”),简单、方便且毫不费力地粘贴在皮肤上,以监控心脏和大脑活动,以及观察体内酶和抗体的活动等,取代目前使用的笨重医疗设备和复杂检测方法。
美国伊利诺斯大学材料学家约翰·罗杰斯领导的研究小组通过多年努力,研制出一种几乎可以精确匹配皮肤力学属性的电子器件,这种被称为表皮电子器件的装置能够像简易纹身贴一样,被方便地粘贴在皮肤上,且不怕水洗。这种装置甚至可以被藏在简易纹身贴的下面来保证其隐蔽性。
目前制造柔韧而有弹性的电子器件的方法有两种,一种是在柔韧性材料上写入电路,就像用墨水在纸上写字;另一种是让电路本身变得有柔韧性。但是,这两种技术均不能使电子材料达到与人类皮肤一样的弹性和柔韧性,因此,科学家们非常希望能够制造出一种高韧性的电子器件,使之与皮肤有效结合。
罗杰斯领导的这项技术研究解决了三个难题。其一是将电路的重要组成,如晶体管、二极管和其他不易弯曲的半导体等,“平整”到适合皮肤上最小隆起块与皱纹的尺度。其二是注入橡胶“弹性体”,模仿皮肤的质量、厚度与弹性。弹性体可像塑料薄膜一样自然地粘贴在皮肤上,而这种粘贴仅仅依靠相邻分子之间微弱、近距离的吸引力就能实现,且可在人体任何一处皮肤吸附24小时以上。其三是电路的安排。元件与导线放置得太近,会使装置变硬而易被撕裂,因此罗杰斯团队利用计算机编程来预测分析所有的压力与拉力,将装置设计得具有最大的弹性。
在一个实验中,研究小组将一个邮票大小的装置安装在人的胸口,收集心脏产生的电信号,测量结果与医院心电图仪器测出的结果非常匹配。在另一个实验中,研究小组把一种含有麦克风的电子装置安置在人的咽喉处,将信号传给计算机,计算机可以识别“起”、“落”、“左”、“右”四种信号。这项技术可以帮助残疾人操作电脑。
研究人员下一步将为表皮电子装置加入其他特征,如使用太阳能电源,将信号与一个无线电基站相连等,特别是对于干性皮肤与油性皮肤进行区别研究与测试,解决电子装置适应皮肤的水分蒸发等问题。罗杰斯表示,新研究最终会模糊电子学与生物学之间的界限。
《科学》杂志在线版于8月11日公布了这项由美国、新加坡和中国等研究人员参与的最新研究成果。