（文章來源：醫療科技網）

目前所謂的體表電子設備——也被稱為“電子紋身”——基本還處于實驗階段，其構想就是將我們所熟知的電子裝置——由芯片、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，比之于二維碼，更加安全和便捷。

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，將整臺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：其自身無法制造或儲存能量，只能通過第三方設備發射的微波供能，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，因為復雜的功能注定需要穩定和充足的能量供給來支撐。

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、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等。這些裝置對于人類皮膚來說始終過于龐大和堅硬了，你能夠想象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、佩戴輕巧舒適并且最好能夠貼合人體皮膚的電源。

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，兩者均被制成大約3×3mm的微小顆粒，由可伸縮的電路相連，并在能量管理芯片的協同下工作，最后，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，并起到保護作用，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結的優勢在于它的兩個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。對于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、鋰電池和控制芯片構成的電路，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/控制芯片組成，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，這要歸功于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，盡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范圍內（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）的彈性系數（~3 kPa）遠遠低于副層（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）。
? ? ? ?（責任編輯：fqj）