智能可穿戴科技正改变电子设备的模式,更贴近人体的适应需求。香港理工大学(理大)学者研发出高性能、超柔软且高透气度的电子设备,并提高其实用性。
理大软材料及器件讲座教授及应用生物及化学科技学系教授郑子剑教授荣获由香港工程科学院颁发的首届香港工程科技奖,表扬和肯定郑教授在超柔软且高透气度电子设备范畴的卓越研究和贡献。
郑教授说:「我们深信近期研发的高透气度电子设备,将为贴在皮肤上和人体内植入式生物电子装置带来深远影响,尤其是电子装置的长远生物相容性和适用性的先进发展。」
穿戴式、人体内植入式和贴在皮肤上的先进柔软电子设备为监测健康、复康和生物医学工程带来前所未有的突破。柔软且高透气度的电子设备增强人体舒适度,,具备实时记录身体状况的功能、并可提供适切治疗方案,引领个人化的医疗保健设备的进展。
体内植入式装置
最近,郑教授领导的一项研究,成功开发出一种晶圆级图案化方案( wafer-scale patternable strategy),制造高分辨率的超柔软、高弹性、透气度极佳的液态金属微电极(μLME )。纤维毡的高孔隙率令液态金属微电极,于空气、湿气和液体的环境中均能维持极高的透气效能。由于液态金属微电极在透气度、生物相容性、导电性和拉伸性方面均具优势,适用于体内植入式生物电子装置,而维持设备高密度和持久舒适度,对于植入式生物电子装置的应用至关重要。
研究文章「用于具持久生物相容性的可植入生物电子学的超透气、具拉伸性的晶圆图案」(Wafer-patterned, permeable, and stretchable liquid metal microelectrodes for implantable bioelectronics with chronic biocompatibility)已于2023年5月在权威期刊《科学进展》(Science Advances)上发表。值得一提的是,成功制备的液态金属微电极渐渐为大范围、超透气、具拉伸性的纤维毡发展铺路,发展成高密度多功能植入式兼可与生物相容的液态金属( LM) 电子设备。这项发明解决了薄膜长期贴在皮肤和组织表面引起的湿冷、湿热、皮肤发炎等问题。
软材料和设备的研究,基本上需要跨学科专家和研究人员的通力合作。郑教授说:「透过不断阅读、讨论和思考人类未来需要,启发科研力量。」
超弹性透气导体
早前关于新型超弹性且透气度高的创新导体发明,展示了跨学科研如物理学和生物医学工程学领域合作的重要性。由郑教授领导的研究团队开发了一种名为液态金属纤维毡(LMFM)的新型导体,可以制造具有生物相容性和多功能的单片可伸缩导电材料。
研究文章「超透气弹性液态金属纤维毡可实现生物相容性兼高弹性电子材料」(Permeable superelastic liquid-metal fibre mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics) 于2021年2月在国际科学期刊《自然-材料科学》(Nature Materials)上发表。透过把液态金属涂抹或打印于弹性纤维物料,使液态金属纤维毡保持高透气度及变得更有弹性。
郑教授致力创新研究荣获香港工程科技奖,充分肯定他在生物医学工程及材料科学领域的贡献。崭新研发的液态金属纤维毡,用途广泛及简单易用,使具弹性的单片导电材料集高密度、多功能性和耐用于一身。
应用具弹性的导体用作电极和电流收集器的设备,或互连桥接不同有源组件,使各种具弹性的电子装备能多方面应用在健康监测、医疗诊断和治疗、智能驱动、能量转换和储存以及物联网。