套筒上的俄罗斯方块：可穿戴电子设备的透气材料

可穿戴电子设备已成为许多现代人生活中不可或缺的一部分。从健身手镯和智能手表到增强现实眼镜和智能衬衫-现有设备的范围从明显有用到有趣的未来主义。但是，当涉及到“可穿戴”事物时，除了功能之外，您还需要考虑舒适性。美国北卡罗来纳大学的科学家开发了一种可穿戴电子产品的新型透气材料，即 能够呼吸。使用了什么技术来制造新材料，所获得的原型的特性是什么？将电子设备自身佩戴起来会更舒适吗？我们从科学家的报告中了解到这一点。走。

学习基础

我们自己穿的任何东西或多或少都是透气的。这是由于需要遵守我们的生理学。人体皮肤是人体排泄系统的重要元素，通过汗液提供代谢产物的输出。因此，在日常生活中使用完全“密封”的材料来阻止执行此功能并不是一个好主意（不包括专门的衣服和设备）。

至于可穿戴电子产品，随着其发展，从普通手镯到几乎成熟的衣柜元素的转变，科学家不仅开始考虑所用材料的物理特性，这对于直接执行设备的功能很重要，而且还考虑了有助于用户舒适的特性。

正如研究人员自己指出的那样，大多数现代可穿戴设备都是基于固态聚合物基材制成的，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚酰亚胺（PI）。在这项工作中，科学家描述了一种新材料，该材料不仅具有与前述前体相同的良好导电性和柔韧性，而且还具有良好的透气性。

已经尝试创建类似的东西，但是它们都在生产过程中或使用限制方面面临某些困难。

例如，相对近来已经开发了基于聚乙烯醇（PVA）的超薄材料。该材料的气体渗透性极好，但是生产极为困难。换句话说，这场比赛是不值得的。

银纳米线（AgNW）也有发展。该选项提供了高电稳定性，但是，裸露的纳米线限制了长期稳定性。

另一种独特的材料是基于糖基质的PDMS（聚二甲基硅氧烷）海绵。问题是糖的颗粒尺寸有限，这使得难以获得微孔结构。另外，该方法不能用于制造超薄膜。

回顾上述原型，科学家们想说，要制造出一种真正好的材料，要兼具所有必要的性能，同时又易于制造，是非常困难的。但是，据他们说，他们做到了。

他们决定不重新发明轮子，而是结合现有的发展，同时消除其缺点。结果，通过将AgNW直接掺入到通过蒸发制成的多孔热塑性聚氨酯（TPU或TPU）膜的表面的下方，获得了拉伸（即，挠性）导电膜。

蒸发方法是一种用于制造多孔聚合物膜的简单，有效且可扩展的自组装方法，不需要复杂的步骤，例如光刻，真空蒸发和蚀刻。

研究成果

图像1号

在图像1A示出了原型的制造工序的图。通过蒸发方法制备多孔热塑性聚氨酯（TPU）膜，然后通过热压将AgNW（银纳米线）引入表面。

在蒸发过程中，四氢呋喃（THF）发挥了溶剂的作用。此外，向溶液中加入少量的聚乙二醇（PEG）（TPU：PEG = 10：1重量），以促进水滴的有序组装。

有机溶剂的蒸发冷却了基材。水分继而凝结在基材上，并自行聚集在除水器中。

科学家指出，在正常情况下，应避免液滴结合，这可能导致无序结构的形成。但是，在这项工作中，液滴的回生促进了贯通多孔结构的形成。

如图1b所示通过改变溶液浓度可以控制孔径。较高的浓度（2wt。％的TPU + 0.2wt。％的PEG）导致较小的孔径和更规则的孔结构，但是较高百分比的堵塞孔（即由于其位置而不能发挥作用的孔）。另一方面，当浓度太低（1重量％TPU + 0.1重量％PEG）时，所得结构趋于更不规则，孔径大于100μm。肉眼可以看到这么大的孔，并限制了电极的分辨率。

经过几次尝试，发现溶液的最佳浓度是1.5重量％的TPU和0.15重量％的PEG。结果，获得了均匀的多孔结构（1b和1e）孔的形状接近圆形，直径约40μm，表面覆盖系数约为39％（1e和1f）。

通过将AgNW浸入AgNW和水的溶液中，将其嵌入到多孔TPU膜中。重要的是，孔径远大于AgNW的长度（〜20μm）。多孔AgNW / TPU膜的显微镜（1c）显示，AgNW均匀地沉积在TPU的表面上，而没有阻塞孔。

TPU膜表面的AgNW很容易与之分离，因此有必要进行热处理以解决此问题。 TPU的熔点约为130°C；因此，决定使用150°C的温度进行热压。

在图片1d2中可以看出，在热压之后，大多数AgNW被直接嵌入TPU内部，只有一小部分暴露在表面上。该处理还将膜厚度从6.8μm减小到4.6μm。


图像编号2

图像2a显示了多孔HP-AgNW / TPU膜的光学图像（HP-热处理后）。图2b示出了膜电阻与浸渍循环次数（即，AgNW掺入循环次数）的函数。电阻仅在前四个循环后才下降，此后保持稳定，达到大约14.5欧姆/平方（欧姆/平方）。因此，在膜的制造过程中，正好使用了4个涂敷周期。热压处理进一步降低了电阻，这可以解释为由压力和热退火导致的AgNW化合物接触改善。例如，在热处理之后，膜电阻降低到7.3欧姆/平方。

与固体膜相比，膜的多孔结构导致光学透明度的增加。多孔TPU膜（2c在550 nm下的透光率是72％），并用AgNW涂覆后降至63％。由于TPU膜宽度略有增加，热压后的透射率进一步降低至61％。

接下来，基于ASTM E96评估水蒸气透过率。如所期望的，与没有多孔结构的膜（2d）相比，多孔TPU膜表现出显着改善的蒸气渗透性。水蒸气透过速率为：对于固体TPU膜为2mg / cm ² h ^-1；对于多孔TPU膜，为38 mg / cm ² h ^-1 ; 多孔AgNW / TPU为36 mg / cm ² h ^-1和23 mg / cm ² h ^-1用于多孔HP-AgNW / TPU。

研究人员建议，增加的透湿性也可以提高材料的耐磨性。为了检验该假设，当在皮肤上戴了膜时进行了长期的磨损测试。戴在人的皮肤上7天后，没有过敏反应和汗水堆积。在被膜覆盖的皮肤区域与接触区域周围的区域之间没有观察到差异。

显然，通孔结构使汗水和湿气渗透到薄膜中，减少了刺激皮肤的可能性，并提高了穿着舒适性和耐磨性。

此外，将薄膜浸入盐水中以显示与汗液接触的长期稳定性（2e） 100小时后，多孔AgNW / TPU和HP-AgNW / TPU膜的电阻分别增加了60％和15％。

在膜和胶带（2f）之间以及在膜和皮肤之间进行剥离测试。图2f还显示，使用胶带可以轻松剥离AgNW / TPU膜（右图显示了将AgNW转移到胶带上），而HP-AgNW / TPU膜则更加稳定。

另外，剥离试验后，AgNW / TPU膜失去导电性，而HP-AgNW / TPU膜保持导电性。

从皮肤上去除AgNW / TPU膜后，一些AgNW仍然残留在皮肤上。但是，对HP-Ag NW / TPU膜进行的类似测试表明，皮肤上没有AgNW颗粒。

因此，在长时间使用过程中，热处理可以有效提高薄膜的导电性和稳定性。

通过将AgNW掺入TPU膜的表面之下，所得的HP-AgNW / TPU多孔膜在AgNW和TPU之间显示出显着改善的粘附性，因此显示出稳定性，并具有可接受的光学透射率和透湿性降低。

值得注意的是，HP-AgNW / TPU膜不仅在表面上导电，而且在厚度方向上也导电。膜的上，下侧是导电的，同时它们也通过整个厚度的孔隙边缘处的银纳米线连接。因此，该膜充当块状导电材料，但是不需要大量的导电填料，这会导致机械性能的劣化。


用LED测试。

为了证明该特性，将该膜连接至LED电路并用作双面导体。将两滴液态金属涂在薄膜的两侧以与LED连接。发光的LED指示薄膜的两面均导电且已连接。


Image No. 3

由于其物理特性，HP-AgNW / TPU膜可以通过激光切割采用多种形式。图片3a示出了膜电极，该膜电极被构造成具有0.5mm的线宽的丝状蛇形结构。在这种情况下，薄膜保持超薄状态，从而确保与皮肤紧密接触。


将HP-AgNW / TPU膜应用于皮肤的步骤。

当薄膜在皮肤上时，压缩，扭曲和其他变形可能会完全恢复。如有必要，可以使用胶带将HP-AgNW / TPU膜从皮肤上取下并重复使用。


使用简单胶带的HP-AgNW / TPU拆卸程序。

曲线3b示出了取决于膜的拉伸的电阻的动力学。在薄膜上施加5％的应变时，电阻增加了一倍。当去除任何电压（变形）时，电阻下降了10％。在随后的循环中，薄膜的拉伸和其正常状态交替出现，电阻几乎始终保持恒定且可逆。

如果变形为10％和15％，则电阻与初始值相比分别增加了约4倍和7倍。尽管存在如此大的波动，但还是注意到了一个有趣的趋势-在每个变形级别，都可以在第一次拉伸过程中对膜进行“编程”，然后，在第一次拉伸确定的范围内，电阻将可逆地变化。换句话说，最重要的作用是第一个变形循环，它为随后的循环设定了阻力变化的“节奏”。

结果，在1000次变形循环（10％）之后，电阻增加了不到7％。该测试还表明该膜确实非常柔软。因此，当薄膜弯曲到0.55 mm-1的曲率时，电阻仅增加0.8％（3s）并且在10,000次弯曲循环后，电阻增加了0.7％（3d）。 HP-AgNW / TPU薄膜可保持其导电率高达45％的应变。并且膜的破坏仅在350％的变形下发生。

科学家指出，它们的发展对于连续监测电生理信号非常有用。 ECG通常用于诊断心律失常，而EMG可用于分析刺激，肌肉神经病变和运动行为的水平。

在ECG和EMG（心电图和肌电图）的测量中，保形接触和低皮肤电极阻抗对于获得高信噪比即获得最准确的信息。

为了评估多孔HP-AgNW / TPU电极与皮肤之间的接触，我们使用了Exoflex制成的人造皮革，它与人的皮肤几乎相同，并且具有相同的杨氏模量。


图像编号4

图像4a显示了转移到人造皮肤上后的电极。显微镜清楚地表明，超薄电极与皮肤形成共形（紧密）接触。

初始和扩展HP-AgNW / TPU多孔电极的复电阻仅比商业Ag / AgCl凝胶电极（4d），并低于固态​​的AgNW / PDMS膜（0.2毫米厚）。这是由于薄膜与皮肤的接触质量。 HP-AgNW / TPU膜的较小厚度和增加的柔韧性降低了弯曲刚度，比固态AgNW / PDMS膜具有更多的保形接触。

此外，将使用HP-AgNW / TPU多孔电极获得的ECG和EMG信号与使用商业化的Ag / AgCl凝胶电极（4e和4f）获得的信号进行比较。用于ECG和EMG测试的电极位置分别显示在4b和4c中。

对于ECG，HP-AgNW / TPU多孔电极可提供质量与凝胶电极相当的信号。HP-AgNW / TPU多孔电极测得的ECG SNR（信噪比）为7.0 dB，与凝胶电极相当（7.1 dB）。

在持续运动的情况下，信号质量变差，多孔电极的SNR值降至6.3 dB，凝胶电极的SNR值降至6.2 dB。

由于肌电图，可以清楚地区分对应于不同握力的肌肉收缩的信号。值得注意的是，多孔HP-AgNW / TPU电极的信号弱于凝胶电极，但这是由于两种类型电极的布置不同（两种类型的电极同时使用）造成的。具有多孔电极的EMG的SNR值为24.9 dB，与凝胶电极的SNR（25.9 dB）相当。

值得注意的是，与商用凝胶电极不同，多孔电极不需要导电凝胶。数据收集过程中缺少凝胶可提高其质量，因为不存在诸如凝胶降解之类的因素。考虑到已显影薄膜的透气性，这些实验还说明了使用多孔电极HP-AgNW / TPU长期连续监测人体状况的可能性。

人体皮肤并不是唯一可以放置发达电极的地方。第二种选择是纺织品。


图像编号5

图像5a显示了电容式触摸传感器的示意图。上图5b示出了当传感器被触摸并且按下了电容值。

另外，触摸传感器系统的灵敏度被定义为当发生触摸时读取值的变化率。在该系统中，灵敏度为86％。稳定性又定义为触摸传感器读数的方差，约为1.65。信噪比为35：1，响应时间小于0.1 s。

为了组装无线触摸传感器系统（5c），将一块HP-AgNW / TPU 50x100毫米胶片集成到织物套中，并使用激光切割将其显示为四个触摸按钮。每个按钮都有其自己的功能：向左，向下，旋转和向右。


俄罗斯方块在袖子上。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语

长期以来，现代技术不仅与功能相关，而且与使用舒适性相关。可穿戴电子产品也不例外。用于生产可穿戴设备的大多数现代材料都能完美地发挥其基本功能，但缺少一些小而重要的细节。这样的细节之一是透气性，如果长期将任何设备戴在皮肤上，透气性就可以提供自由的汗液。

已开发的HP-AgNW / TPU膜具有许多有序的孔。这样的设计并没有很大程度地影响薄膜的物理性能，同时保留了完全执行主要任务的能力。

在研究过程中，创建了几个原型，展示了HP-AgNW / TPU的应用范围。第一个原型旨在收集有关用户健康状况的重要信息。第二是几乎幽默地使用HP-AgNW / TPU膜来制作无线Tetris游戏手柄。在这两种情况下，原型均显示出优异的结果，并且多孔膜的特性和性能可与当前使用的商业选择相媲美。

将来，研究人员打算继续从事透气材料的研究，因为他们认为使用任何可穿戴设备都应该很舒适。好吧，你不能与之争论。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。:)

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