利用现代先进电子器件模仿人类皮肤功能的电子皮肤在仿生假肢、智能机器人以及物联网(Internet of things)等领域具有广阔的应用前景。伴随着全球老龄化现象,电子皮肤有望为老年人及慢性病患者提供实时健康指标监控及远程诊断。然而普通电池对于电子皮肤的适用性、大面积贴合性以及安全性有较大限制。柔性、稳定、自驱动式电源成为智能电子皮肤进一步发展的关键。近日,伍伦贡大学的陈俊教授(通讯作者)和刘雨晴博士、新南威尔士大学的田若鸣博士(第一作者兼共同通讯作者)以及名古屋工业科研所的河本邦仁教授首次提出了一种体温驱动式智能电子皮肤的设计理念,相关工作发表于Cell Press 旗下的旗舰期刊Joule 杂志上。
该短评描述了当前电子皮肤的研究现状及所面临的挑战,围绕智能电子皮肤的能源供给问题,阐述并分析了当前自驱动式电源的优缺点。例如,具有高能量转化效率的柔性太阳能电池可以在光照充足的户外为电子皮肤供电,但应用范围受光照环境限制(例如夜间或有衣服覆盖的区域)。获取人体机械能发电的摩擦纳米发电机可以从使用者运动中获得能量,为电子皮肤自主供电。但所产生的短瞬态脉冲形式电压,需要依靠电池等储能装置累积后传输给电子元件。该类纳米发电元件适用于间歇式动态追踪,无法为人工皮肤的微传感集成系统持续提供动力。
针对这些难题,该文章提供了一种新的解决方案。如图1所示,他们利用柔性热电芯片将体表散发的热能采集后转化为电能,为人工皮肤的电子微元件实现持续自主的供电。该方案的优点在于,人体体表各区域均可为热电芯片提供热源,极大地提高了电子皮肤的使用范围,而不仅仅局限于有光照或四肢活动等区域。另一方面,相比于压电及摩擦类纳米发电元件,热电芯片所产生的电信号是直流电,可满足大多数可穿戴的微型传感系统的供电需求。
图1. 体温驱动化智能电子皮肤。左图:电子皮肤的当前研究现状及电源供给,右图:由热电芯片驱动的吸附式电子皮肤为消费者提供实时健康的监控及远程诊断
现有的热电发电元件多为无机材料类器件,其皮肤贴合度十分有限,既降低了用户舒适度,也难以有效地从人体体表吸收热量。文章重点阐述了适用于智能电子皮肤的柔性热电芯片材料的选取、制备工艺及芯片设计理念。如图2所示,轻薄可拉伸且热电转化率高的有机及二维复合材料成为制备柔性热电芯片的首选。他们使用溶液加工法,利用打印工艺可实现低成本、大面积、高密度的集成。与传统立体式无机热电元件不同,柔性热电芯片将采用二维平面型设计,将电极及热电材料直接打印于柔性生物相容性基板上,更好地贴合皮肤且提高体表热量吸收率。该体温驱动化电子皮肤将有两种工作模式,热电芯片既可持续为小功率传感器元件供电,也可以通过储能单元为较大功率电子元件提供动力。超薄轻柔、自驱动化电源、高集成化传感系统以及生物兼容性和自我修复能力将成为电子皮肤的发展趋势,其应用领域也将突破数字医疗,渗透到未来智能生活的方方面面。
图2. 柔性热电芯片及自驱动化智能电子皮肤的设计理念。(a)使用可溶液加工的有机或二维复合材料,利用印刷工艺实现简洁、低成本、集成式芯片制备;(b)二维平面式热电芯片设计模型;(c)智能电子皮肤供电示意图,其中热电芯片可持续为小功率传感器元件供电或通过储能单元为较大功率元件供电
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Body Heat Powers Future E-skins
Ruoming Tian, Yuqing Liu, Kunihito Koumoto, Jun Chen
Joule, 2019, DOI: 10.1016/j.joule.2019.03.011
作者简介
陈俊教授,通讯作者,澳大利亚伍伦贡大学(University of Wollongong, UOW)创新材料院(Australian Institute of Innovative Materials,AIIM)智能高分子研究所(Intelligent Polymer Research Institute, IPRI)教授,澳大利亚科学基金委电活性材料国家重点实验室(ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science ,ACES)项目负责人(Chief Investigator);1995年本科毕业于浙江工业大学,2003年获得伍伦贡大学博士学位;共发表论文180篇,2018年入选科睿唯安跨学科领域高被引学者;研究方向为可持续能源器件、电化学/生物界面、纳米微米材料、二维/三维打印和智能可穿戴电子器件。
田若鸣博士,第一作者兼共同通讯作者,现任澳洲新南威尔士大学Mark Wainwright分析中心X射线衍射研究员;2014年博士毕业于新南威尔士大学,2015-2018年于日本丰田理化学研究所从事柔性热电的研发工作;主要研究方向为有机-无机复合热电材料、二维材料以及柔性热电元件的研究与开发,期间与中日澳高校以及日本丰田、富士胶卷等企业达成多项合作项目,研究成果多次发表于Joule、Nature Communications、Nano Energy等学术期刊。
刘雨晴博士,伍伦贡大学(University of Wollongong, UOW)澳大利亚科学基金委电活性材料国家重点实验室(ARC Centre of Excellence for Electromaterials Science, ACES)智能高分子研究所(Intelligent Polymer Research Institute, IPRI)博士后(Associate Research Fellow);2018年获得伍伦贡大学博士学位;主要从事可穿戴能量储存和转换器件的加工方向,具体研究纳米电极材料、凝胶电解液/电极材料界面和利用打印技术对器件加工等方面。
河本邦仁教授,日本名古屋大学荣誉教授,本硕博均毕业于东京大学,先后担任东京大学助教、讲师、副教授(1979-1992),名古屋大学教授(1992-2015年),日本丰田理化学研究所特聘资深教授(2015-2018年);现任名古屋工业科研所、庆熙大学及沙特阿拉伯国王大学访学教授。河本教授共发表了58本书的章节以及近500篇学术论文。作为热电领域的领军人物,河本教授于2013年授予日本天皇紫绶带奖章,2018年荣获国际热电学会颁发的杰出成就奖。
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