Uma equipe da Universidade Estadual da Pensilvânia desenvolveu um sistema de sensores sem fio termocontrátil
2025-11-20 16:01
Fonte:Universidade Estadual da Pensilvânia
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Uma equipe de pesquisa da Universidade Estadual da Pensilvânia fez um novo avanço no campo da eletrônica vestível, desenvolvendo um método escalável e multifuncional para projetar e fabricar sistemas eletrônicos conectados sem fio. Este método utiliza folhas termorretráteis como substrato e imprime padrões de metal líquido, permitindo que os sistemas eletrônicos se adaptem melhor a superfícies tridimensionais, como o corpo humano ou objetos domésticos. Isso abre novas possibilidades para monitoramento de saúde e automação residencial, como poltronas inteligentes que podem monitorar e corrigir a má postura. As descobertas relevantes foram publicadas na revista *Science Advances*.

分享  鸣叫  分享  电子邮件  家 电子与半导体 家 高科技与创新 2025年11月19日   要点 研究人员表示,可收缩材料在智能设备领域具有巨大潜力。 作者:考特尼·罗宾逊,宾夕法尼亚州立大学  由丽莎·洛克 编辑 ,罗伯特·伊根审阅  编者按 作为概念验证测试设备,该团队开发了一种可穿戴戒指,戒指上嵌入了一个微型加速度计,能够捕捉并成功地通过网络传输基于手势的动作。图片来源:Courtney Robinson / 宾夕法尼亚州立大学 宾夕法尼亚州立大学的一个研究团队表示,可穿戴电子产品有望变得更加舒适。研究人员开发了一种可扩展、多功能的无线联网电子系统设计和制造方法,该系统能够更好地适应人体或常见家居用品等三维表面,从而为更精准的健康监测或家庭自动化铺平道路,例如,可以监测并纠正不良坐姿,从而改善血液循环并预防长期健康问题的智能躺椅。   这项发表在《科学进展》(Science Advances)上的详细方法,是将液态金属图案印刷到热收缩聚合物基底上——也就是我们常说的儿童手工材料“热缩片”(Shrinky Dinks)。据该团队负责人、工程学院工程科学与力学系詹姆斯·L·亨德森纪念副教授程焕宇(Huanyu “Larry” Cheng)介绍,这种低成本制造可定制、可变形且能连接互联网的电子产品的方法,有望使此类设备的广泛应用更加普及。  程表示:“我们认为这种方法在生物医学应用或可穿戴技术领域具有巨大的潜力。”他指出,预计到2030年,该领域的市场规模将达到1861.4亿美元。“然而,该领域的一大障碍在于如何制造一种易于定制、可应用于独立式、自由曲面并能进行无线通信的设备。我们的方法解决了这个问题。”  该研究的合著者、工程科学与力学专业的研究生袁阳波解释说,目前可穿戴、联网电子产品的生产方法包括通过 3D 打印直接在目标表面上制造电路,这是一个复杂的过程,限制了可扩展性和成本效益。  他指出,虽然使用液态金属和软化热塑性材料的方法更具成本效益,但由于需要预先成型的模具,其可重构性或定制性有限。总体而言,目前尚无商业方法能够大规模地将智能Wi-Fi设备应用于复杂的3D表面或结构上。  了解更多 机器人技术报告 假肢技术 科学 3D打印机 物联网设备套件 绿色科技创新 消费电子产品评测 科技新闻订阅 计算机科学教程 橡胶电子套件 发现一种低成本、易得的基质 程说: “我们一直在研究如何将这个电路应用到人体或不同的 3D 几何形状上,但我们的梦想始终是找到一种超级容易制造的解决方案,不仅可以在专门的实验室里制造,而且可以在家里制造。”  程教授表示,研究人员的梦想成真了,他们发现了用于热缩塑料工艺套装的聚合物,这种套装是儿童常用的手工材料,可以用来制作钥匙扣或首饰等定制物品。这种材料片在网上售价不到15美元,符合他们低成本、易得的要求。  “当我们看到这种可收缩的工艺时,就觉得它非常符合我们的需求,”袁说道。他解释说,这种工艺的薄片在加热后会在水平和垂直方向上均匀收缩,从而实现可控的收缩过程。“我们的目标是打造一个易于DIY且能让尽可能多的人都能轻松上手的框架。”  选定基底材料后,研究人员需要找到一种方法,将电路应用到聚合物上,使其能够承受热收缩过程,同时保持导电性和结构完整性。研究人员表示,导电性是最大限度降低功耗和提高数据传输效率的关键,而数据传输效率对于将电路连接到 Wi-Fi 网络至关重要。  研究团队表示,电路中常用的传统金属,例如金或银,不仅价格昂贵,而且刚性过强,无法承受收缩过程,可能导致结构起皱,从而降低性能。该团队曾将液态金属(一种熔点约为60华氏度的镓铟合金)应用于可拉伸结构,并表示他们看到了反向应用的潜力。  克服液态金属的挑战 为了更好地了解液态金属,他们与约翰和威利·莱昂家族能源与矿物工程系能源工程助理教授、通讯作者史菲菲合作。史菲菲的实验室旨在消除影响液态金属的各种环境因素,例如空气或湿度,以支持她对锂离子电池电化学的研究,该研究需要严格的环境控制。研究团队在一个充满氩气的玻璃箱内进行实验,这样既可以处理这种敏感材料,又能防止不受控制的氧化或其他变化。  “液态金属是一种神奇的金属,”史教授说。“但由于这种材料非常新,人们对其内在特性,例如表面张力或化学性质,了解甚少。它的行为也难以预测。因此,每一步都需要我们逐层审视,才能了解发生了什么。”  石帮助研究人员观察当对聚合物施加热量时液态金属的流动情况。  “液态金属以液滴形式流动效果非常好,”程说。“我们面临的挑战是如何确保液滴之间保持连接,从而为电流提供导电通路,同时还要与基板牢固结合。否则,基板会收缩,电路却无法保持完整——那将是一个大问题。”  解决方案是对原始液态金属进行改性。  三维小型化电子器件的制造工艺及应用场景。图片来源:Science Advances (2025)。DOI:10.1126/sciadv.aea8051 了解更多 科技配件套装 物联网设备套件 硬件评测网站 网络安全软件 能源技术解决方案 工程软件订阅 硬件开发服务 假肢技术 互联网基础设施服务 科技新闻订阅 增强粘附性和导电性 研究人员通过超声波处理(一种利用高频声波产生超声振动,将液体转化为微小颗粒的过程)和十二烷基苯磺酸钠(一种类似于标准洗涤剂的化学物质)对液态金属液滴进行封装和分散,从而解决了粘合问题。这些改性步骤将液态金属的疏水性(排斥水)转变为亲水性(吸引水),从而创造了更有利于粘合的环境。  他们还对塑料薄片进行了等离子体处理,以促进氢键的形成。袁教授表示,研究人员发现,改性液态金属与等离子体涂层的结合,既能使印刷电路图案在热收缩过程中保持完好,又能带来性能优势。  超声波处理工艺制备了一种包含固液两相成分的液态金属——固相成分提高了导电性和机械强度,而液相成分则保持了金属的流动性。此外,研究人员发现,液态金属在硬化前会填充塑料薄片中的微小孔隙,形成互锁结构。总体而言,测试表明,这些改性步骤使粘合力提高了20%。  程说: “我们仍在研究衬底;我们还不了解它的完整形态,但看到液态金属从平面变成圆顶状结构,再加上性能的提高,表明 3D 架构和几何形状可以改进电路设计。”  电路的印刷、缩小和成型 研究团队通过在基板上印刷黑色油墨来制作电路,然后利用近红外光,引导热量将材料收缩成目标几何形状。  程先生说:“制造小型电路需要非常昂贵的设备、基础设施,以及经验丰富、技术精湛的工匠。能够从较大的表面积开始,然后缩小尺寸,这开辟了许多有趣的可能。”  接下来,研究团队利用重复的几何图案制造出更紧凑的天线。袁教授解释说,通过控制材料的折叠和变形方式,他们可以设计出能够减少干扰并贴合各种表面和形状的天线。袁教授表示,他们利用热致收缩技术将天线贴合到家用物品上的工艺,与为每个物品单独设计天线相比,可以显著降低制造成本。  袁先生表示:“在这种情况下,可缩小天线与兼容的传感器模块一起,可以作为即插即用的解决方案,为传统的日常物品添加智能无线功能,展现出将现有家庭住宅改造为智能家居的巨大潜力。”  潜在应用及未来方向 作为概念验证测试设备,该团队开发了一种内置微型加速度计的可穿戴戒指,能够捕捉并成功地通过网络传输基于手势的动作。袁教授表示,初步结果显示出该技术在广泛应用方面的潜力,但他同时指出,诸如通过手指动作识别手语等具体应用场景还需要进一步测试。  袁说:“我们提供了一个令人兴奋的框架,它具有广泛的材料兼容性、精度和低制造成本,为更易于使用的下一代 3D 电子设备提供了一条有希望的途径。”  程表示,他已经在考虑下一步计划,以及未来与宾夕法尼亚州立大学工程学院和医学院的研究人员合作,以改进天线设计和生物医学应用。  程说:“无论患者的体型如何,能够制造出定制的、低成本的、用于监测患者信息的设备,这令人兴奋,并且有可能挽救生命。”  更多信息: Yangbo Yuan 等人,《自由曲面和自由曲面上的三维缩小电子器件》,《科学进展》 (2025)。DOI :10.1126/sciadv.aea8051  期刊信息: 《科学进展》  由宾夕法尼亚州立大学 提供  进一步探索  液态金属复合材料可实现可回收、柔性和可重构电子产品。 Facebook  叽叽喳喳  电子邮件  给编辑的反馈  精选 最后评论 受欢迎的 微型机器人借助“人工时空”克服了导航限制 14小时前  0  英国新建的绿色住宅对电网的压力比模型预测的要小。 16小时前  0  迪士尼教会机器人如何优雅地跌倒并实现软着陆。 2025年11月18日  0  由可食用气动电池和执行器驱动的软体机器人 2025年11月17日  0  通过改进氯分布,钙钛矿太阳能电池的效率达到27.2%。 2025年11月17日  0   研究揭示了阻碍建筑行业脱碳进程的95个障碍和50个风险。 5小时前  研究发现,半数小说家认为人工智能很可能会完全取代他们的工作。 6小时前  人工智能训练使现实世界中的辅助外骨骼更接近现实 10小时前  指尖触觉反馈装置为触摸屏带来逼真的触感 11小时前  新的增强现实技术可以将任何表面变成键盘 12小时前  微型机器人借助“人工时空”克服了导航限制 14小时前  AI代理学习如何使用CAD软件根据草图创建3D对象 15小时前  欧盟拟推迟“高风险”人工智能规则,并削减cookie横幅广告 16小时前  瞬间展开:双稳态力学如何在不到一秒的时间内展开结构 16小时前  英国新建的绿色住宅对电网的压力比模型预测的要小。 16小时前  了解更多 科幻小说 互联网基础设施服务 先进机器人组件 科技新闻订阅 绿色科技创新 计算机科学教科书 硬件评测网站 电子工程工具 智能家居设备 VR头戴式设备 1 2             Phys.org 每日科学新闻,涵盖研究进展和最新科学创新  Medical Xpress 医学研究进展和健康新闻  科学X 网络上最全面的科技新闻报道  新闻简报 电子邮件 Science X Daily 和每周电子邮件新闻简报是免费服务,让您可以通过电子邮件收件箱接收您喜爱的科技新闻更新。 跟着我们 顶部 家 搜索 移动版 帮助 常问问题 关于 接触 请支持我们 科学X账户 通讯 档案 安卓应用 iOS 应用 工作机会 推送通知 © Tech Xplore 2014 - 2025,由Science X Network提供技术支持 隐私政策 使用条款  1 / 1作为概念验证测试设备,该团队开发了一种可穿戴戒指,戒指上嵌入了一个微型加速度计,能够捕捉并成功地通过网络传输基于手势的动作。

O líder da equipe, Huanyu Cheng, explicou que este método é de baixo custo e permite a fabricação de produtos eletrônicos personalizáveis, deformáveis ​​e conectados em rede, o que deve promover a ampla aplicação desses dispositivos. Ele destacou que o desafio atual na área é fabricar dispositivos que sejam facilmente personalizáveis, possam ser aplicados a superfícies de forma livre e possam se comunicar sem fio, e o novo método resolve esse problema. O coautor Yangbo Yuan mencionou que os métodos de fabricação existentes para produtos eletrônicos vestíveis e conectados em rede são complexos, limitando a escalabilidade e a relação custo-benefício, enquanto o novo método é mais vantajoso.

Para aplicar os circuitos a polímeros, a equipe superou muitos desafios. Os metais tradicionais são caros e rígidos demais para suportar o processo de contração. A equipe, que já havia utilizado metal líquido em estruturas extensíveis, vislumbrou seu potencial para aplicações inversas. Em colaboração com o Professor Shi Feifei, eles realizaram experimentos em uma câmara de vidro preenchida com argônio, observando o fluxo do metal líquido. Aprimoraram a adesão e a condutividade encapsulando e dispersando gotículas de metal líquido com ultrassom e produtos químicos, e promoveram ainda mais a formação de ligações de hidrogênio por meio do tratamento com plasma de folhas de plástico. Os testes mostraram um aumento de 20% na adesão.

A equipe de pesquisa criou circuitos imprimindo tinta preta, utilizando luz infravermelha próxima para guiar o material termoencolhível até atingir o formato desejado. Eles também fabricaram uma antena mais compacta, reduzindo os custos de produção e demonstrando seu potencial para transformar casas inteligentes. Como prova de conceito, a equipe desenvolveu um anel vestível com um acelerômetro em miniatura integrado, capaz de capturar e transmitir gestos das mãos.

Cheng Huanyu afirmou que a equipe está considerando planos futuros, incluindo colaborações com pesquisadores da Faculdade de Engenharia e da Faculdade de Medicina da Universidade Estadual da Pensilvânia para aprimorar o design da antena, explorar aplicações biomédicas e fabricar dispositivos de monitoramento de pacientes personalizados e de baixo custo.

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