功能集成:可穿戴电子的未来

可穿戴功能性电子在人工智能领域具有深刻意义。具有单一功能的可穿戴器件作为第一步已经成功实现,如可穿戴应变传感器、能源织物、电致变色垫等。在这之后集成的柔性/可穿戴传感系统的设计标志着一个重大的进步。迄今为止,大多数这样的系统通过串联每个单功能器件实现功能集成。例如,基于碳纤维的微型超级电容器作为电源被连接到一个二氧化钛光探测器上,实现了一个自供电的集成系统。然而,该方法给轻质量和小单元尺寸带来了一些挑战,而这些正是可穿戴电子必备的特征。因此,我们期望能够实现多个功能集成到单个设备上。这将对器件的材料和结构提出关键要求。利用多功能材料和独特结构是实现可穿戴电子单器件多功能的终极集成策略。

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香港城市大学物理及材料系支春义课题组从多功能材料和独特结构两方面出发,制备了集成能源存储和光探测的柔性器件,及集成能源存储和应变传感的可穿戴器件。一方面,导电聚合物如聚吡咯具有本征柔性,并且在小应变下可以保持甚至增强性能,因此是可穿戴器件的理想材料。与石墨烯和金属氧化物类似,聚吡咯既有电容特性又对光敏感,使得以聚吡咯为电极材料的超级电容器同时又能作为一个光探测器。另一方面,基于压阻和压电的织物应变传感器[21-22]已有大量研究。鉴于一个织物超级电容器可以被认为是由两个织物应变传感器作为电极组合而成,因此,在单个器件上集成能源存储和应变感测,实现自供电应变传感是可行的。具体来说,织物电极的电阻在拉伸时由于接触点的增多增强而降低,从而导致自放电电流增加,使得通过记录电流的变化来实现自供电应变检测。

我们相信,这些策略代表了在单个可穿戴器件上集成多种功能的终极方法,为设计其他自供电的智能感应可穿戴电子铺平道路。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201601041)上,第一作者为香港城市大学物理及材料系研究员黄燕。