“水凝胶”触摸板诞生：未来应用前景广阔
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(图片来源于：Credit: C.-C. Kim et al., Science ，2016)
引言
人机交互接口技术和“电子皮肤”，在虚拟现实（VR），可穿戴设备，机器人等领域，有着广泛的应用前景。然而，大多数的触摸面板，使用的材料例如“碳纳米管”和“金属纳米线”，都是基于“硬”的电极制造而成。然而，来自韩国首尔国立大学的科学家们，研发了由“水凝胶”制成的触摸板，透明，柔软，关键是拉伸性能十分好，具有写字和游戏控制功能，未来应用前景广阔。
从"碳纳米管"材料谈起
旋转的碳纳米管示意图
（图片来源于：维基百科）
之前，IntelligentThings也介绍过几款相关的电子皮肤相关的技术，例如“智能线：可以制造压敏的‘电子皮肤’”（）一文中提及了“单壁碳纳米管”材料，另外，“电子皮肤带给假肢或者机器人触觉”（）一文也提及了“碳纳米管”材料。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学，电学和化学性能。但是，有研究称这种材料具有一定的毒性，同时对环境也有一些污染性。此种材料具有一定拉伸性，但是比较有限。
“水凝胶”材料
水凝胶（Hydrogel）是以水为分散介质的凝胶，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。在日常生活用品中，从软性隐形眼镜和避孕套到一次性尿布，到处可见水凝胶的特性。发胶，牙膏和植物水晶体都是利用了水凝胶。海藻酸钠水凝胶结合芦荟所制得的伤口敷料，可以保持伤口湿润，促使细胞再生。
（图片来源于：Melanie Gonick/MIT）
水凝胶是亲水性的物质，内部含有80%甚至更多的水分，具有渗透性，允许可溶性的物质转运。水凝胶也具有粘弹性且很湿滑，对环境也很敏感。这些特性使得水凝胶具有多种功能。澳大利亚卧龙岗大学将水凝胶描述为“地球上最具生物相容性的材料”。事实上，动物体主要就是由水凝胶组成的。正因水凝胶具有种很好的“生物相容性”，其未来的应用才如此广泛，包括脊髓再生，神经和组织工程，甚至是器官再生，可穿戴设备，电子皮肤等等。
“水凝胶”触摸板
对于触摸板来说，需要具有可拉伸性和生物相容性，才可以方便集成在人体上。为了解决“坚硬材料”带来的问题，来自韩国首尔国立大学科学家 Chong-Chan Kim 和他的同事们，一起开发了由水凝胶制成的触摸板，这是一种亲水网状聚合物，柔软而且具有弹性。
这种离子触摸板，由聚丙烯酰胺水凝胶制成的，它拉伸性能很强，并且由于水凝胶是透明的，它对于可见光的透光率达98%。
他们使用的聚丙烯酰胺水凝胶，含有氯化锂盐类，可以具有导体的作用，又可以帮助水凝胶保持水分。水凝胶板末端的电极，应用相似的电压，构建整个系统统一的静电场。当手指触摸该板时，它关闭了水凝胶内部的电路，让电流从带状物的末端流进触摸点。在触摸板的每个角落，有可以捕获电流的电表监测电信号。
研究人员开发了一个控制板，促进离子触摸板和计算机之间的通信。他们使用触摸板，可以画出简笔画，将数据传递到电脑屏幕上，也可以进行各种电脑游戏。
应用展望
穿戴在用用户手臂上的触摸板，能够写字，进行弹钢琴和“愤怒的小鸟”游戏。这种触摸板可操作面积，可以拉伸至其正常面积的10倍，而不影响其核心功能。只是，经过100次循环后，电阻被发现略有增加，作者认为这可能是凝胶内部的水分蒸发引起的。
(图片来源于：Credit: C.-C. Kim et al., Science ，2016)
(图片来源于：Credit: C.-C. Kim et al., Science ，2016)
而对于“水凝胶”在智能穿戴和人机交互的领域应用，之前已经有一些相关报道，例如美国康奈尔大学研究出的一种弹性和发光的压力敏感材料，拉伸至480%仍然不变形，正常工作。研究人员采用了三明治结构构成平板电容。功能层为包含ZnS磷光体粉末的硅树脂，具有电致发光特性，发光颜色可变。其电极层采用了离子水凝胶，其中水溶性氯化锂提供离子导电通道，聚丙烯酰胺作为载体。
（图片来源于：康奈尔大学）
另外，例如（MIT）机械工程系Xuanhe Zhao教授领导开发的新型水凝胶敷料制成的“智能伤口敷料”。它必要时可以释放药物，能够对皮肤温度的变化做出反应。如果药物将尽，它甚至还能亮灯报警。新的敷料可随着身体伸展。它不仅可以在佩戴者弯曲膝盖或肘关节时保持不移位，而且它內嵌式结构和电子仪器在拉伸时也能保持完好无损且功能正常。
（图片来源于：Melanie Gonick/MIT）
所以，由“水凝胶”制成的智能设备，由于其生物相容性好，以及超级弹性可拉伸，而且成本又不太高，以后有望在可穿戴设备，人造假肢，智能机器人，人机交互，虚拟现实等技术领域，广泛应用。
IntelligentThings也将为大家持续关注其研发和应用情况。
参考资料
C.-C. Kim, H.-H. Lee, K. H. Oh, J.-Y. Sun. Highly stretchable,transparent ionic touch panel. Science, 2016; 353 (6300): 682 DOI:10.1126/science.aaf8810
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-08/aaft-gua080816.php
Yvette Brazier. Hydrogel: the future of 'smart Band-Aids'.Wednesday 16 March 2016 , http://www.medicalnewstoday.com/articles/307880.php
Larson C, Peele B, Li S, Robinson S, Totaro M, Beccai L, Mazzolai B, Shepherd R,Highlystretchable electroluminescent skin for optical signaling and tactile sensing. Science 2016, 351(6277):1071 DOI：http://dx.doi.org/10.1126/science.aac5082
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