據麥姆斯咨詢報道，對用于醫(yī)療保健、機器人和無線傳感網絡系統(tǒng)的下一代可穿戴柔性電子器件來講，價格低廉、易于生產、由可持續(xù)的生物相容性材料制成、節(jié)能甚至可以自行供電等都非常重要。不過，只有采用機械可彎曲、可拉伸的方式，才能實現(xiàn)與機器、物體或人體的完美集成，通常以電子皮膚的形式實現(xiàn)。

奧地利喬安妮姆研究所（Joanneum Research）的研究小組與日本大阪大學合作，開發(fā)出一種可以測量各種生命體征并收集能量的超薄傳感器。研究耗時兩年，專注于開發(fā)這款可穿戴的能量收集傳感器貼片。

集成在1微米parylene襯底上的超柔性傳感器設計方案及所制造的器件照片

對許多人來說，每天測量三次血壓和脈搏是不可逃避的“罪惡”。不幸的是，家庭使用的測量設備通常是笨重和不舒服的。這常常會導致患者出現(xiàn)無意識的應激反應，并可能出現(xiàn)虛假的血壓值。

這種情況激發(fā)喬安妮姆研究所表面技術和光子學材料研究組成員與大阪大學的同事共同想出了更好的解決方案。他們開發(fā)出電子傳感器貼片來測量健康參數。材料研究小組負責人Barbara Stadlober說：“我們的電子傳感器貼片將來可以用于部分生活方式相關疾病篩查，如心血管疾病、壓力因素和睡眠呼吸暫停。”

晶圓級薄膜

傳感器使用一種叫做Poly VDF-TrFE（亞乙烯基二氟乙烯-三氟乙烯）的材料，作為超薄薄膜用于電子模組，重量只有幾克。

論文主要作者Andreas Petritz和Esther Karner-Petritz在大阪Sekitani實驗室進行了兩年的研究，并解釋了其工作原理：“P（VDF-TrFE）材料被沉積在兩層超薄電極表面之間，電極表面所在的載體薄膜由丙烯制成，厚度為微米級。由于其被永久電極化，對機械運動非常敏感，因此表現(xiàn)出強烈的壓電效應。我們的關鍵發(fā)現(xiàn)是，降低載體襯底厚度，靈敏度可以提高許多倍，即使是最小的壓力變化如人類脈搏波傳播速率變化，也有機會被測量到?！?/p>

厚度效應由論文合著者Philipp Sch?ffner通過模擬進行了證明。除了脈搏波傳播速率，傳感器貼片還可以收集有關人類血管彈性的信息，并通過脈搏波傳播速率測量血壓。特別重要的是：測量數據可以通過電子模塊以無線方式傳輸到智能手機。

無線電子健康貼片：通過脈搏波相關參數獲得健康數據

電子傳感器貼片的總體厚度不超過0.0025毫米。因此，它能夠完全舒適地貼合皮膚，成為世界上首款超柔性壓電傳感器。

能量自給

特別令人驚訝的是，傳感器貼片還可以從生物力學運動中產生電能。但是，要有效地從關節(jié)運動中提取能量，例如膝蓋關節(jié)的彎曲延伸，提取的電流必須一致。為此，研究人員還開發(fā)了由超薄有機整流二極管制成的電路，并將其放置在薄載體薄膜上，這是另一項新技術。最后，為中間能量存儲提供了超薄電容器結構。

有機整流電路結構示意圖

Barbara Stadlober解釋說：“根據用戶活動量，每天可以獲得大約200毫焦耳的能量。只要能找到質量輕、超低功耗的無線數據傳輸電子模塊，就可以每天測量三次血壓。不幸的是，這在目前仍然相當罕見。但是，沒有什么能阻礙我們的夢想，即無線、完全能量自給的健康貼片，讓用戶佩戴時感覺非常舒適?！?/p>

這項研究成果發(fā)表在Nature Communications雜志。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22663-6