皮膚上的能量源——一項能重新定義可穿戴設備的突破性創新
目前所謂的體表電子設備——也被稱為「電子紋身」——基本還處於實驗階段，其構想就是將我們所熟知的電子裝置——由晶元、天線、內存等元件組成——直接附著在人體表面，完成諸如監測體表溫度、顯示用戶身份等功能。對體表溫度的監控，能夠讓醫生、測謊師等的工作更加簡單；而身份驗證功能讓身份證、信用卡，甚至車鑰匙一去不復返，只要揮一揮衣袖，就可以帶走你想要帶走的東西，比之於二維碼，更加安全和便捷。
在DT君看來，這項技術的前景是十分誘人的，很可能將會重新定義未來的可穿戴電子設備，隨著技術的進一步發展，將整台電腦搬到人的皮膚表面或許也都不是夢想。既然這一切看起來都很美，那為何研究還只停留在實驗階段？
因為電子紋身在能量供應方面，存在很大的瓶頸：其自身無法製造或儲存能量，只能通過第三方設備發射的微波供能（其原理就和在家用微波爐熱菜一樣），但外部的能量供給繁瑣而不穩定——這顯然限制了電子紋身的進化，因為複雜的功能註定需要穩定和充足的能量供給來支撐。
所以，人們一直希望能在體表上直接實現能量的轉化與儲存，五花八門的創意隨之粉墨登場——通過壓電材料（能將外界施加於其上的力轉化為電壓）、摩擦生電、熱生電等方式產生能量；相應的能量儲存媒介則選擇能量密度較高的電池和超級電容（supercapacitor）等。
但是，這些裝置對於人類皮膚來說始終過於龐大和堅硬了，你能夠想像僅僅為了隨時監測自己的體溫，在胳膊上綁一個小號啞鈴的情景么？所以一個好的電子紋身的第一步，是可以自發電、佩戴輕巧舒適並且最好能夠貼合人體皮膚的電源。
怎麼拗都能堅持工作的小強
今天要介紹的這款電子紋身，很好得完成了以上提出的各種要求：它由雙pn結太陽能單元和鋰電池組成，兩者均被製成大約3×3mm的微小顆粒，由可伸縮的電路相連，並在能量管理晶元的協同下工作，最後，通過多層超薄彈性材料的包裹，實現電子元件和皮膚表面的貼合與固定，並起到保護作用，可謂麻雀雖小，五臟俱全。
雙pn結太陽能單元：所謂pn結，就是我們常說的半導體材料單元，比如LED燈就是其中一種，在這樣的pn結兩端施加一定的電壓，它就能發射出一定頻譜內的光線，比如紅色、藍色等等；而這個過程被反向運用在了太陽能板中——太陽能單元可以吸收一定頻率段內的光線，產生電能。普通太陽能板中只有一種pn結，只能吸收一段頻率段內的太陽光，能量轉化效率只有30%；而雙pn結的優勢在於它的兩個pn結能夠吸收不同頻率段的光線，將能量轉化效率提高到40%以上。對於需要高效率吸收光線而不考慮成本的應用領域，比如航天器，pn結的個數還可以進一步增加，當然轉化效率也會進一步提升。
下面圖1揭示了這款新型電子紋身的基本構造，主要的兩層分別是由太陽能單元、鋰電池和控制晶元構成的電路，以及保護此電子結構的彈性保護膜。
圖1：新型電子紋身分解圖，最上面的是緊貼皮膚的封裝層（encapsulation）；第二層是能量模塊（power management circuit），由太陽能單元/鋰電池/控制晶元組成，通過電路（interconnect）相連；最下面是起保護作用的超低模量硅層（ultra-low modulus siliconeinterlayer）和彈性基板（stretchable substrate）
此電子紋身在機械方面最大的挑戰，是在皮膚表面發生變化時，如何保證其電子元件的正常運行。此電子紋身的機械設計解決了這個問題，這要歸功於包裹能量單元的上下兩層保護膜，以及之字形排布的連接線，如圖2所示。
圖2：電子元件的下層保護膜結構，以及連接電子元件的之字形電路，在此設計下，儘管電子紋身的形變使主層發生了大規模的應變，但對電子元件層則幾乎沒影響。
此設計的思路，就是要在匹配皮膚形變的前提下，通過保護膜和連接線，將電子元件的應變控制在允許範圍內（引起元件屈服的相對應變臨界值在0.3%左右）。保護膜分為兩層，主層（core）的彈性係數（~3 kPa）遠遠低於副層（shell，~60 kPa），就像是給彈性十足的橡膠（副層）覆上一層柔軟的棉花（主層）。
屈服點（yieldpoint）：一般來說我們把材料從彈性形變（可恢復）向範性形變（不可恢復）轉變的那個點叫做材料的屈服點，一旦電子元件的應變超過了屈服點，就可能造成損壞。
圖2中的FEA（有限元分析）結果展示了此設計所帶來的收益——電子紋身的形變發生時，主層的相對應變超過100%，但電子元件（Electronics）的相對應變則幾乎可以忽略不計（請注意不同的數值標準），只是在連接線上，有輕微的應變發生。
圖3展示了另一個動態拉伸實驗的FEA結果：當電子紋身對摺時，雖然主層的相對應變高達80%，但電子元件的相對應變，只有0.1%左右。
圖3：新型電子紋身在對摺時，不同部位的相對應變
現在，我們來研究一下這樣的設計究竟改變了什麼：
首先，之字形的連接線能夠在整個電子紋身收縮時收攏，在伸長時舒展，就像是一個緩衝帶，卸去了大部分原本應該施加在電子元件上的應力（應力引起應變）；
其次，在直觀上，我們似乎看不出雙層保護膜的設計有什麼作用，實驗證明，其實雙層保護膜設計的重要性，並不比之字形連接線少。假設此電子紋身沒有電子元件，那麼剩下的，就是柔軟的保護膜和連接線；當堅硬的電子元件加入時，整個電子紋身自然就會變硬，其楊氏模量（Youngsmodulus，應力與應變的比值）就會提高。
如果主層使用的是超低彈性係數的材料，那麼電子紋身的楊氏模量只提高15%；但如果主層使用了普通彈性材料，楊氏模量則會提高到原來的300%。
這意味著，主層採用超低彈性係數的材料，能讓整個電子紋身的「柔軟度」增加了20倍！這基本上讓整張電子紋身從盔甲變成了皮膚。另一個更大，也是更重要的好處就是一個「柔軟」的主層可以讓粘附在上面的電子元件具有更高的「自由度」，以便隨著主層「移動」，這樣一來可以大幅減少電子元件所承受的形變。
再次，根據實驗結果，當主層為超低彈性模量材料時，此電子紋身允許的最大相對形變為大約39.2%；而主層為普通彈性材料時，這個數值瞬間降到只有9.7%。
最後，相比於普通材料，實驗中的超低彈性係數材料能將應變的發生速率降低到1/20。
簡單來說，雙層保護膜的設計讓整個電子紋身更柔軟，適應於皮膚，並且不容易斷裂，同時還承擔了整體應變的絕大部分，從而將電子元件可能發生的應變減小、減緩了。
另外，FEA結果也顯示，厚度在200μm以下的主層不能有效地起到保護效果；而厚度大於300μm的主層的保護效果則不再提升，所以，此電子紋身選擇了300μm的主/副保護層設計。
超低彈性係數的主層，普通彈性係數的副層，再加上之字形排布的連接線，能將整個電子紋身的形變能力提升到人體皮膚的2倍。這裡談論的形變，不僅包括軸向的拉伸和收縮，也包括翻轉、螺旋、摺疊等等（如圖4），因此，將此電子紋身附著在人體表面是沒有任何物理層面的問題的，甚至人自身都可能感覺不到它的存在。
能量自給自足的多面手
聊完了機械性質，讓我們來看看這個電子紋身的電子性質：
拿一個2×2的小型系統來測試，如果全部選擇太陽能單元，在兩兩串聯然後再並聯的情況下，它能夠產生4.4V的開路電壓、 3.4mA的短路電流，以及12.5mW的功率，填充因子（fill factor，FF）達到0.84（FF=功率/（開路電壓×短路電流））；如果選擇4個並聯的鋰電池，此系統可以在大約3.8V電壓和100μA的電流下，持續供電2小時。30%以下的雙軸形變率不會影響此系統的電子性能；在15%的形變率下，系統在實驗室中成功完成了1000次充放電循環。
這只是功能單元最簡單的兩種組合方式，通過靈活安排太陽能單元和鋰電池單元的組合和數量，我們可以讓這個電子紋身滿足許多不同的任務要求（電壓/電流/功率/工作方式/工作時間）；而與功能單元相同大小的能量管理晶元，也可以在軟體層面實時控制整個電子紋身的運行。
圖5列舉了這個電子紋身在熱成像領域的一些應用場景，包括監測正在進行鍛煉的人員的體表溫度——如圖5A。研究者在志願者身上不同部位安放了由溫度感測器、鋰電池和能量管理晶元組成的的溫度監測裝置，它會以每10秒取樣1次的速率將溫度信息傳送到外部手機中，並由相對應的APP處理信息。圖5B中可以看到，在運動開始之後，志願者的體表溫度急劇下降，這和皮膚表面的汗水蒸發有關，而在運動結束之後，體表的溫度會逐漸上升，最終回到平靜狀態時的溫度。
同時進行測試的紅外線熱成像儀也支持此裝置的測試結果（圖5C）。圖5D中的圖表，則顯示了一位志願者在呼吸時，體表的溫度變化，顯然，在深呼吸時，體表的溫度變化間隔較長，也較劇烈。而體表溫度可以反映一個人的生理狀態，過低/過高的溫度都預示著身體機能的變化，這樣的體表溫度監測裝置可以作為輔助的測謊儀、或者生命體征監視儀。圖5E中是一個溫度報警器，結構原理和之前的體表溫度監測裝置類似，當溫度感測器感知的溫度高於/低於某一臨界值的時候，警報燈（LED）就會亮起——此報警器具備防水功能，所以溫度測試也可以在水下，或者在惡劣的天氣環境下進行。
當然，這款電子紋身需要解決的問題還有很多，比如如何將其固定在皮膚上，或者如何解決皮膚的透氣問題等等。然而瑕不掩瑜，新問題本來就會伴隨著解決方案而產生。但僅僅「柔性」太陽能單元這一點，就應該潛藏著無限可能。
接下來的任務就變得相對簡單，把電子通訊模塊、內存、運算系統以及各種感知系統小型化、輕量化、節能化並最終整合到電子紋身中去，隨著科技的進步，這款電子紋身會擁有不斷的升級潛力，從智能可穿戴設備到智能手機等等。對於整個電子紋身產業來說，體表的電源意味著大樓夯實了地基，至於是要造購物中心，還是工廠學校，就等各位技術大拿們自由發揮了！
參考文獻
[1] J. W. L. et al, Soft, thin skin-mounted powermanagement systems and their use in wireless thermography, PNAS Early Edition, 2016， Soft, thin skin-mounted power management systems and their use in wireless thermography
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