2016年5月期刊俱乐部主题:曲线电子和力学的最新进展

曲线电子学与力学的最新进展

肖建亮

科罗拉多大学博尔德分校机械工程系

1.简介

可拉伸电子器件由于其在许多领域的巨大应用而引起了学术界和工业界的广泛关注。它为刚性和脆性电子系统带来了橡胶般的机械性能，同时保留了传统晶圆电子系统的高电性能。可拉伸电子产品通常是柔软的，有弹性的，可以自由变形成复杂的形状。因此，它可以紧密地包裹在3D复杂的任意曲面上，应用范围从用于诊断、治疗和人机界面的生物集成电子，到利用曲线配置来实现优越性能的生物启发设备。在过去的十年里，大量的工作已经在可拉伸和柔性电子设备上完成，不可能涵盖所有这些。在这次讨论中，我将特别关注最近在发展曲线电子学方面的努力和成就，以及相关的力学问题。

2.生物集成曲线电子学

曲线电子器件由于其柔软、弹性的特性，可以被设计成与人体复杂、弯曲的表面相匹配，实现生物集成电子器件在健康监测、诊断、治疗和药物输送等方面的应用。图1a是集成在猪心脏[1]表面的柔性电子传感器。由于其超薄的厚度和极高的机械灵活性，即使在心脏跳动时，传感器也可以利用生物流体提供的毛细管力在表面上牢固结合。该传感器可以实时监测高密度的心脏电生理信号，为诊断提供重要信息。图1b显示了包裹兔子心脏[2]的三维多功能膜。它集成了温度传感器、pH传感器、ECG传感器、应变计和led，并提供同时测量不同信号的能力。图1c展示了一个基于PZT的柔性机械能采集器，集成在牛心脏[3]的表面上。在心脏跳动时，它可以产生能量，储存在可充电电池中，以支持起搏器或其他需要电力供应的设备。图1是由极其灵活的电极组成的网状阵列，与猫大脑非常复杂的表面特征紧密地结合在一起。它可以提供精确的高密度脑皮质电描记图(ECoG)。

图1。生物集成曲线电子学。(a)安装在猪心脏上的柔性心脏传感器，(b)包裹在兔子心脏上的三维多功能薄膜，(c)集成在牛心脏上的柔性机械能量收集器，(d)猫大脑上的柔性网状电极阵列，(e)表皮电子设备，(f)可穿戴药物输送系统，(g)与手套集成的可拉伸电子设备，(h)安装在耳朵不同区域用于脑电图监测的电子设备。

上述装置可以直接、准确地测量不同器官的信号，但需要进行侵入性手术来整合装置，不适合日常使用。因此，可以与人体皮肤相结合的电子设备是人们所需要的。为了适合日常使用，这样的设备需要非常有弹性、柔软、形状适形、生物相容性和透气性，这样这些设备在日常活动中就能正常工作，不会让人感到不舒服。图1e展示了即使在拉伸、压缩和扭转[5]的情况下，表皮电子器件也能很好地结合到人类皮肤上。集成了多功能传感器，可提供应变、ECG、EMG和温度信息的监测。天线、无线电源线圈、射频线圈和二极管也集成在一起，以提供无线充电和通信功能。图1f是一种可与人体皮肤[6]集成的可穿戴药物输送系统。该装置可通过对系统施加拉伸来控制药物的释放，以提供抗癌和抗菌治疗。图1g展示了与手套[7]集成的可拉伸电子设备。图1h为安装在耳朵不同区域的电子设备，方便监测脑电信号[8]。 Such devices can also be extended to provide brain computer interface.

与这些系统相关的力学问题包括但不限于:(1)如何设计可拉伸、灵活和形状保形的电子设备?(2)如何确保电子产品与人体皮肤/器官表面良好接触?(3)当电子产品与人体融为一体时，如何设计能保证人体舒适度的电子产品?(4)在复杂的动态加载循环中，如何保证电子器件的可靠性?

3.仿生曲线光电子学

自然成像系统展示了许多在市售相机中无法找到的吸引人的特性。例如，人眼通过非常简单的光学器件形成非常清晰的图像。相反，每台商用相机都需要一组复杂的光学镜头来调整光线的光路，以达到类似的成像清晰度。另一种自然成像系统是节肢动物中常见的复眼。复眼通常由数百或数千个独立的成像单元组成，即半球面上的小眼。复眼的这种分层结构虽然会导致分辨率降低，但可以提供非常宽的视场角度、低像差、高运动灵敏度和无限的景深。这些自然成像系统(包括人眼和复眼)的一个共同特征是感光元件分布在曲面上。在人眼中，传感元件位于凹的半球面上，以适应由简单光学形成的半球面成像平面。在复眼中，传感元件位于凸面、半球面上，与三维微透镜阵列配合，以实现其独特的成像特性。因此，为了在相机中实现自然眼睛的成像特征，光电探测器必须放置在相似的曲线表面上。

图2。仿生曲线光电子学。(a)电子眼球相机，(b)可调变焦电子眼，(c)人工对位复眼相机。

图2a展示了一个模拟人眼[9]结构和功能的全功能半球形电子眼球相机。这种光电探测器的布局首先以平面几何形式制造，然后转化为半球形形状，以类似于人眼视网膜的几何形状。简单的平面凸透镜具有良好的成像能力。图2b展示了一种结合人眼和商用摄像机[10]优点的可调谐半球形眼球摄像机系统。在该系统中，可以协调调节光学透镜和半球面成像平面的曲率来实现变焦，这在商用相机中是有的，但在人眼中是没有的。图2c是人工对位复眼相机，模仿昆虫的复眼[11]。分别制作弹性微透镜阵列和可拉伸光电探测器阵列，并将其集成到平面几何中，然后将其转化为半球形，实现人工复眼相机。这款数码相机具有极宽的视场角度(160度)和无限的景深。

这些系统的力学问题包括:(1)如何设计光电系统以承受形状转换过程中的大变形?(2)如何预测和跟踪光电探测器的位置，以确保图像的准确后处理?(3)如何预测系统的变形，以指导不同元件的操作和调整，使之符合光学?(4)如何保证长期运行的可靠性?

4.讨论

曲线电子学在过去十年中取得了令人难以置信的进步，并展示了许多有趣的应用。对不同体系的力学也进行了研究[12-16]。最近的一些研究试图将曲线电子与柔软的活性材料结合起来，以实现可以对环境做出反应或可以以可编程的方式改变形状的智能电子[17-18]。尽管在曲线电子领域取得了这些令人兴奋的成就，但在大规模生产和商业化之前，需要解决的一个挑战是如何以经济的方式制造可拉伸电子产品和系统。这项工作展示了一种实现这一目标的有趣方法，即机械地将层压薄膜切割成可拉伸的布局[19]。

引用:

[1] J. Viventi等，一种共形，生物界面类硅电子绘制心脏电生理，科学转化医学2,24ra22(2010)。

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[3] C. Dagdeviren等人，共形压电能量收集和存储从心脏，肺，和横膈膜的运动，研究项目。学会科学。美国111,1927 (2014)

[4] D.-H。Kim等，超薄保形生物集成电子器件的丝素蛋白可溶性薄膜，自然材料，9,511-517 (2010)

[5] D.-H。Kim等人，表皮电子学，科学333,838 (2011)

[6] J. Di等，含治疗库的可穿戴弹性体薄膜的拉伸触发药物传递，ACS纳米9,9407-9415 (2015)

[7] H.C. Ko等。利用硅膜电路和弹性转移元件形成的曲线电子器件。小5,2703(2009)。

[8] J.J.S.诺顿等人，软，弯曲电极系统能够集成在耳廓作为一个持久的脑机接口，Proc. Natl。学会科学。美国112,3920-3925 (2015)

H. C. Ko等，一种基于可压缩硅光电的半球形电子眼相机。自然454,748-753(2008)。

[10] I. Jung, J. Xiao等，动态可调谐半球面电子眼相机系统与可调变焦能力，Proc. Natl。学会科学。美国108,1788-1793 (2011)

[11]宋永明，谢勇，V. Malyarchuk, J. Xiao等，基于节肢动物眼睛的数码相机设计，自然杂志，497,95-99 (2013)

[12]王珊珊，肖俊杰，荣毅中，宋俊杰，柯海昌，史托伊科维奇，黄玉华，黄建昌。黄和J. A.罗杰斯，半球面电子力学，应用。理论物理。let . 95, 181912(2009)。

[13]王珊珊，肖俊杰，宋俊杰，高洪昌，高志昌。黄，黄，和J. A.罗杰斯，曲线电子力学，软物质6,5757-5763 (2010)

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[15]李志强，肖杰，可拉伸弹性微透镜阵列用于人工复眼相机的力学与光学，J.应用。物理学报，11,014904 (2015)

李振宇，肖杰，弹性微透镜阵列的应变可调谐光学，力学学报，4,118-123 (2015)

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[18]林s .等，可拉伸水凝胶电子器件，Adv. Mater。， DOI: 10.1002/adma.201504152(2015)

[19] S. Yang等，多参数表皮传感器系统的“剪切-粘贴”制造。DOI: 10.1002 / adma.201502386(2015)