|
以电子皮肤(E-Skin)为代表的柔性电子学在可穿戴电子、表皮电子学、机器人皮肤等多种应用场景中引起了科研人员的广泛兴趣。虽然这一领域的实质性成果主要集中在传感性能方面，但针对提高实际应用在不可预测和不可控制环境中的健壮性和生存性的研究很少。到目前为止，对E-Skin的研究大多采用本质柔软的材料，关注的是灵活性和顺应性，而不是保护能力。目前的方法，如自我修复和损伤恢复技术，要么结合自我修复材料，让设备从损伤中恢复，要么在受到物质损伤后继续工作，但它们无法防止设备受到破坏。大多数软体生物进化出盔甲或贝壳来保护自己。类似的保护需求也适用于在复杂环境中工作的灵活电子设备。现有的工作主要集中在提高感知能力。 来自华中科技大学的学者证明了在Kiri-MM的铰链上使用软材料可以抑制局部屈曲效应并提高一致性。此外，本文在软铰链处选择性地使用导电聚合物复合材料提供了一种简单的方法来部署电路互连，这对于LED显示器或传感电极阵列等大型电路阵列尤其有益。功能性软铰链Kiri-MM E皮肤系统展示了可以保形集成在各种曲线表面上的自适应性。总而言之，本文所提出的基于软铰链Kiri-MMs的结构策略为由传统刚性、不可拉伸材料制成的柔性电子产品的长期保形挑战提供了解决方案。在此基础上，本文阐述了蛇皮如何作为生物促进剂，将电子装甲作为保护自身和底层物体免受外部损害的通用策略。具体来说，本文引入了一个新的概念，将灵活的“E-armor”类比于柔软的“E-skin”。这些结果可能会为这些领域的应用和基础研究开辟新的分支，与提高柔性电子产品在复杂环境中的生存能力的挑战有关。相关文章以“A Snakeskin-Inspired, Soft-Hinge Kirigami Metamaterial for Self-Adaptive Conformal Electronic Armor”标题发表在Advanced Materials。 论文链接： https:///10.1002/adma.202204091
图1. 软铰链Kiri-MM电子盔甲的灵感来自蛇皮。A)蛇吞下一个比自己大的蛋的过程。B)蛇皮的局部放大图。刚性的鳞片由软质的鳞片连接起来。C)蛇皮深层组成的示意图。D)从以蛇皮为灵感的鳞片-外皮结构到Kiri-MM电子装甲的设计演变过程，软铰链和电子元件分别具有机械和电气增强功能。E)一个电子装甲管(直径≈34毫米)和一个鸭蛋(直径≈51毫米)，模仿蛇的吞咽过程。F)位于内表面的传感器可以感知和表征经过的鸡蛋的大小，外部传感器被硬质瓷砖隔离，从而独立感知环境。
图2. 软铰链Kiri-MM的延伸性、灵活性和顺应性。A)双向加载下拉伸Kiri-MM板的示意图。B，C)制造的软铰Kiri-MM板卷成复杂的风车形状(B)，并完美地安装在曲面(C)上。D)软铰Kiri-MM具有代表性的体积单元的有限元建模和实验图像。等值线代表了离面位移，有限元计算结果与实验结果吻合较好。E)有限元和实验结果显示了Kiri-MMS的宏观拉伸响应，并与单材料(PI)和软铰链组合的结果进行了比较。
图3. 软铰链Kiri-MM的自适应顺应性。A)在双轴拉伸下制作单材Kiri-MM板材，并安装在球面上。B)单材和软铰Kiri-MM板材的对比。C)制作的柔性铰链Kiri-MM薄板的光学图像，该薄板整齐地安装在球面上。光滑的表面说明了增强的一致性。D)通过设计的软铰链的非均匀尺寸分布实现机械可编程性。
图4. 柔性铰链用导电聚合物复合材料Ag/K-704的表征。A)导电弹性体、电路、PI瓦片组成的软铰链示意图，以及硅橡胶K-704和银片的分子结构式。B)导电材料示意图：改性的微型银片散布在硅橡胶长链上。C)银含量为70wt%的复合材料拉伸前后的扫描电子显微镜图像。D)不同Ag含量的Ag/K-704复合材料的应力-应变曲线。(E)(C)中蓝色虚框的局部放大图，即30%以下的应力-应变曲线。F)不同Ag含量的Ag/K-704复合材料的电性能。G)银含量为65、70和75wt%的归一化电阻率与延伸率的关系。H)不同重量的Ag/K-704复合材料照片。I)显示具有不同应变伸长率的Ag/K-704复合材料的导电性的照片。
图5. 电子装甲上的可编程显示。A)用FPGA硬件实现电子装甲可编程显示的流程图。B)示意图，显示代表性体积元素的示意图。C)现场可编程门阵列控制的电子装甲实验装置。D，E)光学图像，显示制造的电子装甲恰好安装在刚性曲线表面(D)和柔软的充气气球(E)上。
图6. 电子装甲的传感功能。A-C)柔性压力传感器的原理图、部署和特性。D)制作模拟蛇吞咽过程的电子装甲管。E，F)当只有鸡蛋通过管子时(E)和当鸡蛋通过时手指按压外表面时(F)传感器的电容变化信号。
图7. 电子装甲的防护性。A-F)试件在A，B)刺穿，C，D)划痕，E，F)高温三种损伤下的示意图和光学图像。 这项工作展示了一种新的电子装甲概念，它不仅具有机械延伸性、灵活性和顺应性，而且可以保护底层软体免受外部物理或热损伤。与E-Skin不同的是，E-Armor的非传统刚性瓷砖设计提供了这种保护能力。软铰链Kiri-MM独特的几何设计提供了以下优势：i)负泊松比导致的延伸性和大面积覆盖，ii)刚性材料制成的瓷砖的保护性，iii)克服固有的膨胀，以及iv)结构可编程性。在此基础上，这种软铰链Kiri-MM电子装甲系统成功地展示了其出色的机械灵活性、延伸性、一致性和防护性之外的电子功能。通过集成不同的电子模块，可以实现压力感知、可编程显示和环境监控等多种功能。（文：SSC） |
|
|
