麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)了一種新的無(wú)線、可穿戴傳感器，沒(méi)有半導(dǎo)體或電池，他們說(shuō)這是邁向無(wú)芯片無(wú)線傳感器的第一步。
麻省理工學(xué)院開發(fā)的電子皮膚薄膜可能是邁向無(wú)芯片無(wú)線傳感器的第一步。[圖片由麻省理工學(xué)院提供]
這種電子皮膚——或電子皮膚——是一種柔性半導(dǎo)體薄膜，麻省理工學(xué)院將其描述為一種電子透明膠帶。
該設(shè)備具有超薄氮化鎵膜，其可以用電信號(hào)響應(yīng)機(jī)械應(yīng)變，并響應(yīng)電脈沖而振動(dòng)。麻省理工學(xué)院表示，研究人員制作了純凈的氮化鎵單晶樣品，并將其與導(dǎo)電的金層配對(duì)，以增強(qiáng)輸入和輸出的電信號(hào)。
相關(guān):麻省理工學(xué)院的工程師開發(fā)出可穿戴的郵票大小的超聲波標(biāo)簽，用于連續(xù)成像
這使得電子皮膚不僅可以檢測(cè)心跳振動(dòng)等生命體征，還可以利用設(shè)備的振動(dòng)產(chǎn)生電信號(hào)，并將其傳輸?shù)礁浇慕邮掌鳌?/span>
“芯片需要大量的能量，但我們的設(shè)備可以使系統(tǒng)變得非常輕，而不需要任何耗電的芯片，”該研究的通訊作者Jeehwan Kim在一份報(bào)告中說(shuō)新聞稿。“你可以把它像繃帶一樣貼在身上，配合手機(jī)上的無(wú)線閱讀器，你可以無(wú)線監(jiān)控你的脈搏、汗液和其他生物信號(hào)。”
Kim是麻省理工學(xué)院機(jī)械工程和材料科學(xué)與工程的副教授，也是電子研究實(shí)驗(yàn)室的首席研究員。
Kim和其他研究人員此前開發(fā)了一種方法，可以從涂有石墨烯的晶片上快速生長(zhǎng)和剝離超薄半導(dǎo)體。這項(xiàng)技術(shù)被稱為遠(yuǎn)程外延，它允許他們制作和實(shí)驗(yàn)電子皮膚薄膜。
他們?cè)谧钚碌难芯恐惺褂昧诉h(yuǎn)程外延技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)即使心率加快引起的皮膚狀況的輕微變化也會(huì)影響傳感器的振動(dòng)和它發(fā)出的信號(hào)。
“如果脈沖發(fā)生任何變化，或者汗液中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生變化，或者皮膚受到紫外線照射，所有這些活動(dòng)都會(huì)改變氮化鎵薄膜上的表面聲波模式。我們的電影靈敏度很高，可以檢測(cè)到這些變化，”合著者Yeongin Kim說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院的博士后，現(xiàn)在是辛辛那提大學(xué)的助理教授。
麻省理工學(xué)院描述了研究人員如何測(cè)試他們的電子皮膚概念:
“研究人員制作了一層純凈、高質(zhì)量的氮化鎵薄膜，并將其與一層金配對(duì)，以增強(qiáng)電信號(hào)。他們將黃金沉積在重復(fù)啞鈴的圖案中——這是一種格子狀的結(jié)構(gòu)，給通常剛性的金屬帶來(lái)了一些靈活性。他們認(rèn)為氮化鎵和金是電子皮膚的樣本，厚度僅為250納米——比人頭發(fā)的寬度還要薄100倍。
“他們將新的電子皮膚放在志愿者的手腕和脖子上，并使用附近的一個(gè)簡(jiǎn)單的天線，在不接觸傳感器本身的情況下無(wú)線記錄設(shè)備的頻率。該設(shè)備能夠感應(yīng)并無(wú)線傳輸志愿者皮膚上氮化鎵表面聲波的變化，這種變化與他們的心率有關(guān)。
該團(tuán)隊(duì)還將該設(shè)備與一層薄的離子感應(yīng)膜配對(duì)，這種材料可以選擇性地吸引目標(biāo)離子，在這種情況下，是鈉離子。通過(guò)這種增強(qiáng)，該設(shè)備可以在志愿者抓住熱墊并開始出汗時(shí)感應(yīng)并無(wú)線傳輸鈉水平的變化。”
研究人員表示，目前的電子皮膚設(shè)備可以用于監(jiān)測(cè)其他重要的生物標(biāo)志物。
“我們展示了鈉感應(yīng)，但如果你改變感應(yīng)膜，你可以檢測(cè)到任何目標(biāo)生物標(biāo)志物，如與壓力水平有關(guān)的葡萄糖或皮質(zhì)醇，”合著者兼麻省理工學(xué)院博士后Jun Min Suh說(shuō)。“這是一個(gè)相當(dāng)通用的平臺(tái)?！?/span>
