2016年5月期刊俱乐部主题:曲线电子学和力学的最新进展

曲线电子学与力学的最新进展

肖建亮

美国科罗拉多大学博尔德分校机械工程系

1.介绍

可拉伸电子由于其在许多领域的广泛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产品的高电气性能。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复杂的任意曲线表面上，应用范围从用于诊断、治疗和人机界面的生物集成电子设备，到利用曲线配置实现卓越性能的生物启发设备。在过去的十年里，人们在可伸缩和柔性电子产品上做了大量的工作，不可能涵盖所有这些领域。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

由于其柔软、弹性的特性，曲线电子器件可以设计成与人体复杂、弯曲的表面相匹配，实现生物集成电子器件，用于健康监测、诊断、治疗和药物输送等应用。图1a是集成在猪心脏[1]表面上的柔性电子传感器。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，也可以利用生物流体提供的毛细管力在表面上牢固地结合。该传感器实时监测高密度心脏电生理信号，可为诊断提供重要信息。图1b显示了包裹在兔心脏bbb周围的三维多功能被膜。它集成了温度传感器，pH传感器，ECG传感器，应变片和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的柔性机械能量采集器，集成在牛心脏[3]的表面上。在心脏跳动时，它可以产生能量，这些能量可以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1d是极为灵活的电极网格阵列，与猫脑[4]非常复杂的表面特征紧密结合。它可以提供准确、高密度的脑皮质电图(ECoG)。

图1所示。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)包裹在兔心脏上的3D多功能薄膜，(c)集成在牛心脏上的柔性机械能采集器，(d)集成在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)集成手套的可拉伸电子设备，(h)安装在耳朵不同区域用于EEG监测的电子设备。

上述设备可以直接、准确地测量来自不同器官的信号，但需要进行侵入性手术来整合设备，这在日常应用中并不可行。因此，可以与人体皮肤集成的电子设备是需要的。为了适合日常使用，这类设备需要具有很强的可拉伸性、柔软性、形状适形性、生物相容性和透气性，这样这些设备才能在日常活动中发挥作用，而不会让人感到不舒服。图1e显示，即使在拉伸、压缩和扭转过程中，表皮电子元件也能很好地粘附在人体皮肤上。集成了多功能传感器，提供应变、心电图、肌电图和温度信息的监测。天线、无线电源线圈、射频线圈和二极管也集成在一起，提供无线充电和通信能力。图1f是一种可与人体皮肤集成的可穿戴给药系统。在该装置中，药物的释放可以通过拉伸施加到系统中来控制，以提供抗癌和抗菌治疗。图1g显示了与手套[7]集成的可拉伸电子设备。图1显示了安装在耳朵不同区域的电子设备，方便地监测脑电图信号[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、柔性和形状保形的电子设备?(2)如何保证电子产品与人体表面皮肤/器官的良好接触?(3)当电子产品与人体融为一体时，如何设计以保证人体的舒适性?(4)在复杂的动态加载周期中，如何保证电子设备的可靠性?

3.仿生曲线光电子学

自然成像系统展示了许多在商用相机中找不到的吸引人的特性。例如，人眼用非常简单的光学系统就能形成非常清晰的图像。相反，每台商用相机都需要一套复杂的光学镜头来调整光线的光路，以达到相当的成像清晰度。另一种自然成像系统是复眼，在节肢动物中很常见。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。这种层次化的复眼结构虽然会降低分辨率，但可以提供非常宽的视场角度、低像差、对运动的高灵敏度和无限的景深。这些自然成像系统(包括人眼和复眼)的一个共同特征是光感元件分布在曲面上。在人眼中，传感元件位于凹的半球形表面上，以容纳由简单光学元件形成的半球形成像平面。在复眼中，传感元件位于凸的半球形表面上，与三维微透镜阵列协调，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性，光电探测器必须放置在类似的曲线表面上。

图2。仿生曲线光电子学。(a)电子眼摄像头，(b)可调变焦电子眼摄像头，(c)人工对位复眼摄像头。

图2a展示了一个全功能的半球形电子眼球相机，它模仿人眼[9]的结构和功能。这种光电探测器的布局首先是平面的，然后转化为半球形的形状，以类似人眼视网膜的几何形状。良好的成像能力已证明与一个简单的平凸透镜。图2b展示了一个可调的半球形眼球相机系统，它结合了人眼和商用相机[10]的优点。在该系统中，光学透镜和半球面成像平面的曲率都可以进行协调调节，从而实现变焦，这是商用相机无法实现的，而人眼无法实现的。图2c是模拟昆虫[11]复眼的人工对位复眼摄像头。将弹性体微透镜阵列和可拉伸光电探测器阵列分别制作并集成在其平面几何结构中，然后将其转换成半球形，实现人工复眼相机。这款数码相机具有极宽的视角(160度)和无限的景深。

这些系统中的力学问题包括:(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，保证图像的准确后处理?(3)如何预测系统的变形来指导不同元件的操作和调整以符合光学要求?(4)长期运行时如何保证可靠性?

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。不同系统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器件与软活性材料相结合，以实现能够响应环境或以可编程方式改变形状的智能电子器件[17-18]。尽管在曲线电子方面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和系统。这项工作展示了一种有趣的方法来实现这一目标，即机械地将层压薄膜切割成可拉伸的布局[19]。

引用:

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