液態金屬纖維氈可印上相關電路,作為健康監測傳感器使用。
“液態金屬纖維氈”可印上相關電路,作為健康監測傳感器使用。
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香港理工大学(理大)研发了一种高透气及超弹性导电材料,适用于供长时间穿戴的电子设备。此一创新导电材料以涂抹或印刷方法,把液态金属物料加于以静电纺丝程序制成的弹性纤维网上,不但透气度高、弹性强、能导电且导电稳定性高,可广泛应用于健康监测设备、软件机械人和贴在皮肤上的电子装置。

穿戴式电子设备、贴在皮肤上的电子装置、软件机器人和生物电子零件均需采用高弹性的电子装置和系统部件。然而,现时很多这类部件只能装嵌在不透气的弹性厚片上,长时间配戴会引致严重皮肤敏感、发炎等问题。

此外,由于市场上用于电子装置的材料透气度低,不适合把具感应功能的装置植入,然后叠起多层装置在产品中;因此令可拉展的电子装置产品在功能增润方面受到局限。

由理大纺织及服装学系郑子剑教授所领导,并由应用物理学系、生物医学工程学系跨专业科研人员组成的研究团队,成功研发出新型高透气、超弹性的导电材料,该导电材料能应用于多功能兼可与生物兼容的电子设备。

此创新导电材料名为「液态金属纤维毡」(liquid-metal fibre mat),利用涂抹或打印技术,把液态金属加于以静电纺丝制成的弹性纤维网上,再经过拉展程序,悬挂在弹性纤维网之间的液态金属便会自行形成横向多孔、纵向弯曲的结构。

“液态金属纤维毡”透气度高,并且经拉力测试后仍能维持高弹性和高导电能力。此外,物料也具备良好的生物兼容性,可直接在人体皮肤上使用。

郑教授解释道:“我们所选用的液态金属是通常用于制造可屈曲电路板的低熔点镓铟合金(EGaIn),并打印在通常用于手套、气球等橡胶产品的弹性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(poly(styrene-block-butadiene-block-styrene),SBS)物料上,组合成液态金属纤维毡。”

团队在测试中把毡子拉展至18倍,并重复进行12次,毡子自动形成一些小孔,令透气度大大提高。在测试的样本里,团队把0.8mg cm-2份量的EGaIn涂印在320微米厚的SBS纤维物料上,再经拉展程序后,其透气度提升至每天724gm-2,较日常用的护理胶布(每天31gm-2)高出22倍。

样本亦曾在活体小兔皮肤上进行测试,生物兼容的效果理想,并没有出现任何皮肤敏感的状况。

EGaIn是一种在室温下仍能保持液态的金属材料,不但黏性低、导电能力高、毒性低,而且暴露在空气时,能在表面迅速形成薄薄一层氧化物(Ga2O3)。经过拉展程序后,氧化物会出现小孔和弯曲的折纹,令其变得更具弹性,导电效果更佳。

此外,研究团队亦利用“液态金属纤维毡”制成三片分别用以量度心电图、汗液和温度的传感器,并且把它们迭在一起使用。迭起三层后,物料厚度约为一毫米,而三个传感器均能正常运作,且保持高透气度。这证明“液态金属纤维毡”能够叠起使用,具备多功能且穿戴舒适的优点。

研究项目的结果(“Permeable superelastic liquid-metal fiber mat enables biocompatible and monolithic stretchable electronics”)已于权威期刊《Nature Materials》上发表。

本研究项目主要获得香江学者计划与香港研究资助局拨款支持。研究团队会进一步加强“液态金属纤维毡”的性能,并开发不同类型的护理电子产品及系统。