早在幾十年前，人們就開始使用智能穿戴設備如起搏器、助聽器等醫療設備。隨著智能穿戴設備的發展，智能手環、健身服裝等走進日常生活中，但是可穿戴智能設備的發展仍有很大的挑戰，如要求小而精緻、堅固耐用、根據需要變形以貼合皮膚等。想象一下，如果智能電子設備附著在皮膚表面時能夠變軟、變形甚至能和皮膚無縫銜接，又將會帶來多大的技術變革。這可能是人類夢寐以求的電子產品。
2019年11月4日，韓國高等科學技術學院（KAIST）的Jae-Woong Jeong教授團隊在Science子刊Science Advances發表名為“Mechanically transformative electronics, sensors, and implantable devices”的研究文章。文章講述了該團隊發明的多功能電子平臺（TES）可以機械地改變形狀、柔性和可拉伸性，允許用戶無縫且精確地調整其剛度和形狀。這種新型的電子產品不僅將為臺式或手持設備提供強大、方便的接口，還可以與皮膚無縫集成。
研究預覽：電子產品因其應用不同，一般是靜態的。對於保持目標應用程序的整體設備性能和可靠性，該方法一直是最佳方向。但是，能夠改變其形狀、柔韌性和可拉伸性的電子產品使通用的容納系統將有更多不同的應用。Jae-Woong Jeong教授團隊報告了基於溫度觸發的設備平臺機械特性而實現這些可重新配置的電子系統的設計概念、材料、物理和製造策略。Jae-Woong Jeong教授團隊應用了這項技術來創建具有可變剛度和可伸縮性的個人電子產品，具有可調帶寬和靈敏度的壓力傳感器以及與腦組織整合後可以軟化的神經探針。
幾乎所有現代電子產品，包括傳統的剛性消費電子產品和新興的軟電子產品，都具有不變的機械性能，可以滿足特定的用途。扁平、堅固的電子設備提供了用戶友好、方便的堅固接口，可最大程度地在桌面或手持設備中使用。
TES的示意圖和圖像
柔軟、靈活且可拉伸的電子產品更適合可穿戴和可植入應用，其適應身體組織自然變形的能力可以極大地改善舒適度、便攜性，並易於進行連續的生理監測。但是，剛性和柔性電子設備的靜態機械特性限制了這些設備的應用。如將常規的剛性電子設備安裝在皮膚上會在設備的笨重的硬組件和軟組織之間產生機械失配，從而使它們不舒適且不便佩戴。同樣，由於設備無法承受較高的接觸力和負載，因此在身體外使用軟電子設備會導致操作和接口困難。
鎵基轉化平臺相變特性的熱力學研究
為了最大程度上綜合傳統的平面、剛性電子產品和新興的軟電子產品三種產品的關鍵功能，Jae-Woong Jeong教授團隊引入了新的電子系統，可以根據需要改變其形狀和剛度。基於機械可調式電子平臺的溫度觸發軟剛性相變來啟用此功能。此文使用的方法可使電子產品更加通用、方便並且高度適應各種設備，演示了使用此相變策略的各種變革性電子技術，包括可轉換為可拉伸、可穿戴設備的手持式設備，具有可調帶寬和靈敏度的壓力傳感器以及在注入大腦後會變軟的剛性神經探頭。
可轉換電子設備的應用演示
鎵是一種有趣的關鍵材料。它具有生物相容性，具有固態的高剛性，並且可以在與皮膚溫度相當的溫度下熔化。變革性電子產品由特殊的鎵金屬組成，該金屬結構被密封封裝並密封在柔軟的硅樹脂材料中，結合了靈活且可拉伸的電子產品。電子系統的機械轉換專門由用戶控制的溫度變化事件觸發。
一旦變革性電子平臺與人體接觸，封裝在硅酮內部的鎵金屬就會變成液態，並軟化整個電子結構，使其具有可拉伸性、柔性和可穿戴性。一旦將結構從皮膚上剝離，鎵金屬便會再次固化，從而使電子電路變硬且穩定。當將柔性電子電路集成到這些平臺上時，它則具有變得靈活，具有可拉伸或剛性的能力。
壓力感應的變換電子設備的應用演示
這個通用的電子平臺使研究人員能夠演示具有高度適應性和可定製性的應用，例如具有可變剛度和可拉伸性的多功能個人電子設備，具有可調節帶寬和靈敏度的壓力傳感器以及在植入腦組織後會變軟的神經探針。
該平臺適用於傳統和新興的電子技術，這一突破有可能重塑消費電子行業，特別是在生物醫學和機器人領域。研究人員認為，隨著進一步的發展，這種新穎的電子技術會極大地影響我們在日常生活中使用電子的方式。
深層組織穿透性比較
研究總結：此文介紹的概念、材料和設計策略可實現可機械轉換的電子設備，從而打破傳統的剛性電子設備與較新的軟性可穿戴設備之間的界限。TES是通用的電子平臺，可與許多由有機和無機材料製成的現代柔性、可拉伸電子設備兼容。鎵是TES設計的核心基礎材料，它可以通過體溫調節電子設備的形狀和剛度，從而為可穿戴和可植入電子設備提供機會。
鎵的凍結導致的過冷度對TES的高精度控制有害，但是可以通過添加成核劑或雜質來使過冷度最小化。對於需要不同轉變溫度的應用，可以使用其他類型的易熔合金代替鎵。在所有情況下，將薄而靈活的熱電子器件與TES設計集成在一起，可以顯著促進快速的雙向轉換（即從剛性到軟的轉換，反之亦然），從而進一步擴展該系統在包括生物醫學設備，軟機器人、消費類電子器件在內的各種電子器件中的潛力。
文章鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaay0418
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