背景介绍
包括智能隐形眼镜、纺织品和贴片类型在内的多功能可穿戴设备已被研究用于人机界面、医疗保健系统、远程医疗、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）。特别是具有内在可拉伸性的多功能可穿戴设备，可以最大限度地减少设备与人体之间的机械不匹配。目前具有内在可拉伸性的多功能可穿戴设备面临着一些严峻的挑战。为了实现多种功能，不同组件的异构集成通常需要多种材料。由于材料本身的机械失配，在各种身体变形下，不同材料之间的界面很容易被破坏，导致可穿戴设备的稳定性显著降低。由于不同材料的性能不相容，制造过程中不可避免地会出现复杂而耗时的步骤。为多功能可穿戴设备的可拉伸性，坚固的界面和易于制造而开发定制材料是非常重要的。
具有多个传感器的多功能可穿戴设备可以同时监测多种信号，包括物理、化学和电生理信号，用于医疗保健、安全预警和植物护理系统。对于多个传感器测量的不同信号的分析，需要使用额外的算法或电子元件进行后信号处理。针对多功能智能设备的信号监测和处理的研究却很少。专用集成电路（ASIC）或近场通信（NFC）芯片可以用于柔性设备，但是固体的，并且与本质上可拉伸的电子系统不兼容。基于算法的信号处理，如定制程序，可用于本质上可拉伸的电子器件，这需要大量的连接线来监测不同的信号，处理时间长，多功能器件的设计和结构复杂。
本文亮点
1. 本工作开发了多功能智能可穿戴设备，使用单片图案的金纳米线进行信号监测和处理。金体和空心纳米线表现出独特的电学性质，具有高化学稳定性和高拉伸性。
2. 单片图案化的金纳米线可用于制造坚固的接口、可编程传感器、按需加热系统和应变门控逻辑电路。可拉伸传感器对皮肤上的应变和温度变化表现出高灵敏度。
3. 金纳米线的微褶皱结构表现出负规范因子，可用于应变门控逻辑电路。
图文解析
图1 多功能智能可穿戴设备示意图。a)采用单片金纳米线和微皱结构的传感器系统和应变门控电路。b)可同时进行信号监测和处理的多功能智能可穿戴设备。
图2 金纳米线的特性。a) Ag@AuNW和AuHNW的制备示意图。b)银纳米线，Ag@AuNWs和AuHNWs的UV-Vis吸光度。c) Ag@AuNWs和AuHNWs的HR-TEM图像和EDS作图。d)相对电阻变化和e)暴露于H2O2(30%) 10 min前后银纳米线、Ag@AuNWs和AuHNWs的SEM图像。
图3 用于多功能智能可穿戴设备的单片图案金纳米线。a)制造单片图案的两种蚀刻工艺示意图。b)具有连续和鲁棒界面的单片图案的SEM图像和EDS分析。c)单片金纳米线的电流-电压(I-V)曲线。d) Ag@AuNWs, auHNW和e)不同角度单片图案的机电特性。f) Ag@AuNWs的可拉伸互连器和g)通过使用Ag@AuNWs和auHNW的不同单片图案与led集成的程控应变传感器的照片图像。
图4 使用Ag@AuNWs和auHNW的传感器和电加热器的特性。a)手腕上的集成传感器和加热器，用医用Tegaderm胶带固定。b)应变传感器的相对电阻随应变增加的变化。c)手指弯曲和d)脉搏监测时的相对电阻变化。e)温度传感器的相对电阻随温度升高的变化。f) Ag@AuNW温度传感器通过冷热刺激监测皮肤温度。g) Ag@AuNW电加热器温度随电压升高的变化。h)红外热像仪和Ag@AuNW温度传感器测得的温度变化曲线。
图5 应变门控电路Ag@AuNWs和auHNW。a) Ag@AuNW可伸缩互连器，b) AuHNW通断开关，c) AuHNW关断开关的电流-电压曲线。d)与led集成的可拉伸互连器和开/关开关的照片。e)使用Ag@AuNWs和AuHNWs的单片模式的NOR, AND, OR和NAND的四个应变门控逻辑电路。f)四个应变门控逻辑电路在不同输入状态下的电流输出信号。g)四种不同应变门控逻辑电路集成led在不同输入状态下的可视化输出信号。
图6 集信号监测与处理于一体的多功能智能可穿戴设备。a)电路图和b)多功能智能可穿戴设备照片图像。c)“A”开关接通，d)“B”开关接通时，带压力刺激的多功能智能可穿戴设备输出电流：(i)整个输出电流，(ii) 20~30秒无刺激，(iii)应变传感器(S) 30~45秒压力刺激，(iv)温度传感器(T) 50~65秒压力刺激。在e)“A”下有温度刺激的多功能智能可穿戴设备的输出电流接通，f)“B”下有温度刺激的设备的输出电流接通S和T传感器的(i)全部输出电流、(ii)无刺激、(iii)冷水接触和(iv)热水接触的剖面。
审核编辑：刘清
