多功能智能可穿戴设备

研究背景

包括智能隐形眼镜，纺织品和贴片在内的多功能可穿戴设备已在人机界面，医疗保健系统、远程医疗、增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等领域得到广泛研究。尤其是具有内在伸展性的多功能可穿戴设备，可以最大限度地减少设备与人体之间的机械不匹配。然而，目前具有固有伸缩性的多功能可穿戴设备还面临着一些严峻的挑战。要实现多种功能，通常需要多种材料来异构集成不同的组件。此外，不同材料之间的界面在各种人体变形情况下很容易因材料的内在机械不匹配而损坏，导致可穿戴设备的稳定性大大降低。由于不同材料的特性不兼容，复杂耗时的制造步骤不可避免。因此，为多功能可穿戴设备开发具有拉伸性、坚固界面和方便制造的定制材料非常重要。

带有多个传感器的多功能可穿戴设备可同时监测多种信号，包括物理、化学和申生理信号，用于医疗保健、安全预警和植物护理系统，为了分析多个传感器测量到的不同信号，需要使用额外的算法或电子元件对信号进行后处理。然而，针对多功能智能设备的信号监测和处理的研究还很少。特定应用集成电路(ASIC)或近场通信(NFC)芯片可用于柔性设备。但它们都是固态的，与本质上可拉伸的电子系统不兼容。基于算法的信号处理(如定制程序)可用于本征可拉伸电子设备，但需要大量连接线来监测不同信号，处理过程耗时多功能设备的设计和结构复杂。

研究成果

虽然多功能可穿戴设备已被广泛研究用于医疗保健系统、增强/虚拟现实和远程医疗，但使用单一纳米材料进行多种信号监测和逻辑信号处理而无需额外算法或刚性特定应用集成电路(ASIC)芯片的报道却很少。在这里，Sei Kwang Hahn教授团队利用单片图案化金纳米线开发了多功能智能可穿戴设备，用干信号监测和处理。块状金纳米线和空心金纳米线具有独特的电学特性、高化学稳定性和高拉伸性。因此，单片图案金纳米线可用干制造坚固的接口、可编程传感器、按需加热系统和串联逻辑电路。可拉伸传感器对皮肤上的应变和温度变化具有高灵敏度。此外，金纳米线的微皱纹结构显示出负测量因子，可用于应变门控逻辑电路。综合来看，这种多功能智能可穿戴设备将成为未来电子和生物医学应用的一个前景广阔的平台。相关研究以“Multifunctional Intelligent Wearable Devices Using Logical Circuits of Monolithic Gold Nanowires”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration for multifunctional intelligent wearable devices.

Figure 2. Characteristics of gold nanowires.

Figure 3. Monolithically patterned gold nanowires for multifunctional wearable devices.

Figure 4. Characteristics of sensors and an electrical heater using Ag@AuNWs and AuHNWs.

Figure 5. Strain-gated circuits with Ag@AuNWs and AuHNWs.

Figure 6. Both signal monitoring and processing of multifunctional intelligent wearable device.

总结与展望

作者开发了一种多功能智能可穿戴电子设备。通过使用金纳米线的单片模式，可实现传感器系统、电加热器和应变门电路。Aa@AuNWs和AuHNws具有很高的化学稳定性和独特的电学特性，可长期工作并具有多种功能。利用 Ag@AuNWs和AuHNWs的独特电学特性，可以制作出应变和温度传感器，从而监测皮肤上的机械和温度变化。还利用金纳米线的微皱纹结构制作了应变门控开关和逻辑电路。最后，成功地展示了通过集成传感器系统、电加热器和应变电路来同时监测和处理信号。该多功能智能可穿戴设备采用单一材料金纳米线，将为具有自主信号监测和处理功能的本征可拉伸电子和医疗保健应用开辟一条新途径。

文献链接

Multifunctional Intelligent Wearable Devices Using Logical Circuits of Monolithic Gold Nanowires

https://doi.org/10.1002/adma.202303401

转自：“i学术i科研”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！