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您可能會認為臨時紋身看起來很酷，但如果它們還可以收集和傳輸關於您的心率、體溫、肌肉收縮或腦電波的資訊呢？
一種新型柔性電子電路有望實現這一目標，它能夠隨著皮膚移動並保持在原位，無需任何粘合劑。該研究利用現有的半導體技術，將積體電路印製到可以直接應用於皮膚的薄而柔韌的矽膜上。該裝置在8月11日線上發表於科學雜誌的一篇新論文中進行了描述。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（U.I.C.U.）材料科學與工程學教授，同時也是這項新研究的合著者約翰·羅傑斯在一次播客採訪中表示：“目標真的是模糊電子裝置和生物組織之間的界限。”
威斯康星大學麥迪遜分校電氣與計算機工程系教授馬正強在同一期科學雜誌的一篇評論文章中寫道，這項新技術可能很快使監測變得“更簡單、更可靠且不間斷”。
羅傑斯正在與位於馬薩諸塞州劍橋市的初創公司mc10, Inc.合作將該裝置商業化，他和他的團隊已經證明該貼片可以用於測量生命體徵——他們認為，有一天它可以用於幫助刺激肌肉、加速傷口癒合、改善假肢，甚至與電子遊戲進行通訊。
纖薄貼合
這種新型貼片最強大的優勢在於其纖薄。“從直觀的層面上來說，這真的很簡單，”羅傑斯在播客中說道。“如果你把任何東西做得足夠薄，它就會變得柔韌。”因此，他們沒有使用更典型的半毫米厚的矽晶片，而是使用了50奈米厚的矽膜。
羅傑斯稱這種膜本身“有點令人作嘔”，他在週三的新聞釋出會上指出，“它看起來有點像從身體上撕下來——或排洩出來的。” 但在某種意義上，這就是重點：達到一種材料，在這種材料中，“機械效能和組織之間的區別變得模糊不清，”他週三說道。為了解決應用問題，該團隊從臨時紋身行業獲得了啟發，並使用了一種在應用後剝離的塑膠背襯。（羅傑斯和他的同事們喜歡在海盜臨時紋身上演示感測器的應用。）
超柔性貼片是透過轉移印刷（或“墨印和印刷”）製成的，其中晶片組裝在兩個矽層上，然後轉移到旨在貼合皮膚的彈性體聚合物基底材料上。
儘管材料和元件並非特別新穎，但它們的“幾何形狀配置卻很不尋常，”羅傑斯說。 電路被形成為開放的網狀形狀，“幾乎像一個嵌入在非常薄的彈性體皮膚中的電子蜘蛛網，”他解釋道。 這意味著，“我們不必回頭重新發明半導體材料或重新發明電晶體設計，”他說。 僅透過縮小所有部件的尺寸並在正確的配置中組裝它們，他的團隊希望他們能夠引領新的“生物整合機會”。
斯坦福大學機械工程助理教授鄭曉林一直在研究類似的裝置，並且對這份新報告感到興奮。她的團隊的裝置在最近發表的奈米快報論文中進行了描述，它依賴於不同的製造工藝，該工藝涉及電路和矽之間的中間層，有助於防止應用過程中較大電路上的應力。然而，正如馬正強在他的評論文章中指出的那樣，新裝置中聚酯層和感測器層的厚度相同，這意味著它們“產生相反的應變，相互抵消，因此無論裝置向哪個方向彎曲，中間電路層都幾乎不會受到應力。”
儘管鄭曉林的團隊使用了直線金屬，而不是新貼片中更易變形的形狀，但斯坦福大學團隊的版本卻明顯更薄，厚度約為0.8微米。“我們的裝置更加靈活，可以輕鬆實現曲面上的共形塗層，”她說。
易於使用
當今的大部分監測裝置都需要笨重的硬體，例如心臟病患者經常不得不拖著或攜帶的心臟監護儀。但羅傑斯在播客中指出，這種新裝置對於佩戴者來說“幾乎在機械上是隱形的”。 纖薄而光滑的外形使其能夠應用於其他裝置可能顯得笨拙或侵入性的地方。 一個可能的應用可能是早產兒，由於他們身材矮小，“與”笨重、有線感測器“不相容”，羅傑斯說。 對於睡眠研究來說，這也可能是一種更具吸引力的監測方法，無需笨重、具有干擾性的裝置和電線。
柔性電路還使得大量電極可以在小空間內與皮膚接觸——這比目前通常單獨應用和佈線的電極有所改進。
它沒有采用可能刺激皮膚的粘合凝膠或膠帶，而是利用了非特異性的、廣義的粘附力，即範德華力——這與壁虎能夠在牆壁上行走的力量相同。“我們正在利用機械過程和幾何形狀來最佳化這種粘附力的強度，”羅傑斯在播客中解釋道。“你可以像貼臨時紋身一樣把它貼上，它就會留在那裡。” 他報告說，即使在淋浴時，它也能保持在原位。
在目前的測試中，這些貼片已經保持了大約一週的時間。羅傑斯說，新增某種粘合劑可能會有助於在現實世界中最終完成交易。但他喜歡目前的版本表明外部粘合劑“並非絕對必需”。
走向無線
為如此小型、柔性的貼片供電是使其可用的關鍵問題。目前，該團隊已經能夠整合感應線圈，當附近的初級電源以足夠高的水平執行時，感應線圈可以拾取電力，為LED和其他元件供電。
但是，如果有人需要帶著這東西在城裡到處走動怎麼辦？ 下一步將是整合可以稍後儲存電力的電容器或電池。 借鑑現有的柔性光伏技術，該團隊正在考慮將太陽能作為內建電池的可能合作伙伴。
然而，要成為一項重大突破，該貼片最終需要完全無線化。 開發人員目前依賴於連線到細長帶狀電纜的小電線來下載資訊，但已經在努力整合無線電功能。
像臨時紋身一樣，這些貼片不會永遠粘附。 羅傑斯指出，隨著皮膚的不斷更新，一個週期大約需要兩週，貼片將需要更換。 正如鄭曉林指出的那樣，新貼片中的矽本身就是裝置的一部分。 因此，“用於製造的晶片不可重複使用，”她說。 藉助她團隊的中間層，矽晶片可以一次又一次地使用。
肢體語言
約翰·霍普金斯大學的研究表明，“這些裝置不僅用於監測身體，還用於刺激身體，”羅傑斯說。“電氣介面也可以在另一個方向上工作，因此你可以刺激肌肉收縮。”纖薄而流線型的設計意味著該裝置“不會限制肌肉的運動”。
該技術有一天也可能有助於傷口癒合，透過在傷口周圍提供熱或電刺激。 透過光整合，電路還可以用於透過光譜學評估組織。
該裝置已連線到受試者的喉嚨上，當他們說話時，使用計算機程式識別模式，這些訊號可以導航簡單的語音控制電子遊戲。 羅傑斯指出，這種通訊方法也可能對那些患有影響喉部的疾病的人有用，並且可能用於控制假肢。
羅傑斯希望有一天他們能夠將晶片的語言從電壓語言轉變為身體更容易理解的語言，例如液體和離子。 羅傑斯指出，這將使與“深層組織”的互動成為可能。
與此同時，mc10已經在努力將該貼片的一個版本推向市場。 據報道，他們已與銳步達成協議，開始將此類感測器整合到運動服裝中。
儘管她的團隊可能會與羅傑斯的團隊競爭，但鄭曉林表示，她“很高興看到我們正朝著相同的目標努力[但]採用了不同的方法。”