电子设备,无论是传感、驱动还是通信形式,都是未来可穿戴设备的重要方面。需要在多个组件之间建立可靠的电气连接,且不能对可穿戴体验产生不利影响。传统导电材料有两个主要缺点。首先,固体金属材料与人体贴合度不佳,会降低运动自由度。其次,柔软且可拉伸的导电橡胶在受到应力或压缩时,电阻会发生剧烈变化。由于导线的体积在拉伸或压缩过程中保持不变,因此导线的横截面积与长度成反比。因此,电阻随长度变化的平方而变化。对于具有刚性填充颗粒的导电橡胶,由于应变引起的导电填充颗粒分离,电阻变化可能更为极端。这增加了设计柔性电路的复杂性。
Zequn Cui, Wensong Wang, Lingling Guo, Zhihua Liu, Pingqiang Cai, Yajing Cui, Ting Wang, Changxian Wang, Ming Zhu, Ying Zhou, Wenyan Liu, Yuanjin Zheng, Guoying Deng*, Chuanlai Xu*, Xiaodong Chen* Dr. Zequn Cui, Zhihua Liu, Pingqiang Cai, Yajing Cui, Ting Wang, Changxian Wang, Ming Zhu, Prof. Xiaodong Chen Innovative Centre for Flexible Devices (iFLEX), Max Planck–NTU Joint Lab for Artificial Senses, School of Materials Science and Engineering, Nanyang Technological University, 50 Nanyang Avenue, 639798, Singapore. E-mail: chenxd@ntu.edu.sg Dr. Wensong Wang, Prof. Yuanjin Zheng School of Electrical & Electronic Engineering, Nanyang Technological University, 50 Nanyang Avenue, 639798, Singapore. Dr. Lingling Guo, Prof. Chuanlai Xu International Joint Research Laboratory for Biointerface and Biodetection, State Key Lab of Food Science and Technology, and School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, P. R. China. E-mail: xcl@jiangnan.edu.cn Ying Zhou, Wenyan Liu Nursing Department, Shanghai General Hospital, School of Medicine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, P. R. China. Dr. Guoying Deng Trauma & Emergency Center, Shanghai General Hospital, School of Medicine, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, P. R. China. E-mail: guoying.deng@shgh.cn Keywords: Young's modulus, self-locking, stretchable strain sensors, haptics
人体和机器之间的抽象长期,高效率和高度兼容的接口对于应对医疗保健等宏伟的社会挑战以及回答诸如了解人类大脑之类的巨大科学问题的宏伟挑战至关重要。我们建议理解和利用软材材料技术 - 具有设计特性的聚合物,弹性体,水凝胶和生物组织 - 以在人体和机器之间形成界面。在这个极端的机械字母(EML)网络研讨会1中,我们讨论了柔软材料的设计,以实现极端的机械性能,这对于形成这种长期,高效率和高度兼容的接口至关重要,这些界面可能会合并人类和机器及其智力。EML网络研讨会扬声器和视频可在https://imechanica.org/node/24098上进行更新。引言人类组织和器官大多柔软,湿和生物活性;电子设备和机器人等机器通常是硬,干燥和生物学上的惰性。,如果我们可以在人体和机器之间形成长期,高效率和高度兼容的接口,以合并人类和机器及其智力,该怎么办?这种界面对于应对医疗保健等宏伟的社会挑战以及回答诸如了解人类大脑等伟大的社会挑战至关重要。例如,可穿戴电子设备,医疗设备和可植入的医疗设备是医疗机器,试图通过时间尺度与人体合并,从小时到几天到几个月和几年。除了上述示例外,合并虽然这些医疗机器在过去几十年中已经大大发展,但它们与人体的界面几乎保持不变,例如组织上的金属电极。原始接口通常会严重阻碍医疗机器在健康人员和/或患者的监测,诊断和治疗中的效力和持续时间。虽然医疗机器和人工智能有着巨大的希望,可以彻底改变医疗保健2,3;机器和人体之间的长期,高效率和高度兼容的接口确实在这场革命中起着关键作用。作为另一个例子,尽管越来越强大的计算机正在不断开发,但在人脑大脑约860亿个神经元中,计算机和人类大脑之间的接口仍然仅限于几千个神经元。在长远的长期中,同时询问数百万个神经元,例如数月到几年,可能会给人类脑有新的理解。但是,这种理解将依赖于长期,高宽带和高度兼容的脑机界面的发展。
人体与机器之间长期、高效和高度兼容的接口对于解决医疗保健等重大社会挑战以及解答理解人脑等重大科学问题都至关重要。我们建议了解和利用软材料技术——具有设计特性的聚合物、弹性体、水凝胶和生物组织——来形成人体与机器之间的接口。在本次极端力学快报 (EML) 网络研讨会 (Zhao, 2020) 中,我们讨论了软材料的设计以实现极端的机械性能,这对于形成这种长期、高效和高度兼容的接口至关重要,这种接口最终有可能融合人与机器及其智能。EML 网络研讨会演讲者和视频已在 https://imechanica.org/node/24098 上更新。© 2020 由 Elsevier Ltd. 出版。
刺激响应型聚合物能够在接受外部刺激时调整其结构、组成和反应性,这种聚合物已出现在生物学、医学和制造业等各个研究领域。1–4 目前,对其性质的控制仅限于单个化学官能团的互换和非常有限的结构/形态变化。同样,可降解聚合物是聚合物科学领域的一个重要目标,已广泛应用于从医学和药物输送到微电子和环境保护等各种领域。5 2018 年,Lamb 等人报告称,亚太地区的珊瑚礁上缠绕着十亿件塑料物品。6 因此,塑料和其他聚合物的随意降解变得越来越重要。7
多伦多大学的加速联盟 (AC) 正在引领科学发现的变革,这将加速技术开发和商业化。AC 是一个由学术界、工业界和政府组成的全球社区,它利用人工智能、机器人技术、材料科学和高通量化学的力量来创建自动驾驶实验室。这些自主实验室快速设计可持续、健康和有弹性的未来所需的材料和分子,应用范围从可再生能源和消费电子产品到药物。AC SDL 将推动人工智能驱动的自主发现领域,并开发应对社会最大挑战所需的材料和分子,例如气候变化、水污染和未来的流行病。
下一代软材料的共同创造核心,北海道大学跨越了七个部门,包括科学,工程,医学,农业,农业,渔业,北海道大学医院和北部生物圈现场科学中心。共同创造核心对从农业,林业和渔业资源提取并精制的天然聚合物进行的软材料进行了基础和应用研究。该呼吁寻求专门任命的成员,以使用软材料进行肌肉骨骼组织重建和再生医学的基础和临床研究。任命者将主要在医疗应用部门工作,并与软材料合成部,物理性质信息和测量部以及天然聚合物库预备组织合作,以推动新型天然聚合物软材料的基础和临床应用。研究活动还将涉及与北海道大学医院的合作。候选人有望在其专业知识之外积极从事跨学科研究,并促进基于软材料的医疗材料的实际应用。
在北海道大学共同创造核心的下一代软材料核心,我们对新型软材料进行基本和应用研究,以利用从农业,林业和渔业资源中提取和纯化的自然聚合物的独特特性。我们的研究包括七个部门,包括科学,工程,医学,农业,渔业,北海道大学医院和北部生物圈野外科学中心。我们目前正在寻求一名专门任命的教职员工,以研究和开发从农业和渔业资源中提取和纯化的天然聚合物的新软材料进行研究和开发。该教职员工将主要基于软材料综合部门和物理性质和测量部,与医疗应用部,主要行业应用部和天然聚合物银行预备组织合作。该研究将重点介绍基于天然聚合物的软材料的开发及其结构性质体相关性的分析以及医学和环境领域的潜在应用。
下一代软材料的共同创造核心,北海道大学跨越了七个系,包括科学,工程,农业,农业,渔业,医学,北海道大学医院和北部生物圈现场科学中心。共同创造核心使用从农业,林业和渔业资源中提取和精制的天然聚合物对软材料进行基础和应用研究。该呼吁寻求一个专门任命的成员来进行提取,纯化,化学组成和结构分析的研究,并评估农业,林业和渔业资源或其副产品的天然聚合物的物理性质。也有望使用天然聚合物开发新的软材料。任命者将主要在主要行业应用部门和天然聚合物银行预备组织中工作,同时与软材料合成部门合作,物理属性信息和测量部以及医疗应用部门,以推进天然聚合物的采样,其化学组成和结构分析,评估其物理物业,并使用新的柔软材料来评估其物理性能。我们正在寻找对天然聚合物感兴趣的研究人员(例如多糖,蛋白质,DNA,木质素等)和聚合物材料科学与工程。此外,我们正在寻找一个有动力学习和进行融合研究的候选人,超越了他/她的专业领域,并热衷于促进与海外研究机构的积极合作研究。
eccerine汗液包含丰富的电解质,代谢物,蛋白质,金属离子和其他生物标志物。这些化学物种浓度的变化可以表明水合状态的改变,它们还可以反映健康状况,例如囊性纤维化,精神分裂症和抑郁症。柔软的,皮肤交织的微流体系统的最新进展可以实时测量局部汗水损失和汗水生物标志物浓度,并在医疗保健中采用了广泛的应用。在某些情况下使用涉及对身体的物理影响,这些影响可以动态变形这些平台,并对测量可靠性产生不利影响。此处提供的工作克服了这种局限性,它通过使用相对较高的模量聚合物构建的微流体结构,并在嵌入低模量的低模量弹性体时以柔软的,系统水平的力学设计。分析模型和有限元分析定义这些系统的相关力学,并作为布局的基础,以允许在苛刻的,坚固的场景中进行稳健的操作,例如在足球中遇到的耐用场景,同时保留机械可伸展性,以舒适地与皮肤保持舒适的水平粘合。台式测试和在施加的机械应力下的汗液损失和氯化物浓度测量的体型现场研究表明了这些平台的关键特征。