三層電路貼在皮膚上，延展度 800%！這款「電子刺青」還能控制機器手

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 12 日 0:00 |

聽過「電子紋身」（Electronic Tattoo）嗎？早在 2013 年，Motorola 高級副總裁 Regina Dugan 就曾拿出看似普通紋身貼紙的產品。Regina Dugan 表示這款電子紋身是行動式智慧設備，可惜並未多展示充滿未來感的那面。

2016 年 YouTube 一支影片，幾位生物駭客展示將電子設備植入皮下的過程──設備差不多硬幣大小，由一個印刷電路板、5 個表面貼裝發光二極管（SMD LED）組成，由矽膠包裹，一塊 3 伏特電池供電。

設備植入並受磁鐵觸發後，LED 燈會發光，皮膚會出現一朵梅花。

如果你覺得電子紋身只是廠商炒概念、科學怪人開腦洞，那就錯了。

2018 年，美國卡內基美隆大學的科學家就將電子紋身寫進論文，用液態金屬合金塗覆銀奈米顆粒，兩者融合後形成電路，經過印刷，紋身就可輕鬆轉移到皮膚，且導電性也很高。

當時參與研究的卡內基美隆大學助理教授 Carmel Majidi 表示：這是電子印刷領域的突破。

就在最近，中國科學家也聯合打造出電子紋身。

2021 年 1 月 13 日，論文發表於《科學》雜誌子刊《科學─進展》，題為「Multilayered electronic transfer tattoo that can enable the crease amplification effect」（可實現摺痕放大效果的多層電子傳遞紋身）。

論文作者來自南方科技大學（深圳灣實驗室生物醫學工程研究所）、首都醫科大學生物醫學工程學院及中國科學院大學國家奈米科學技術中心。

什麼是「電子紋身」？

看過前文，大概能對電子紋身下個定義：「能直接貼在皮膚上的超薄電路」。電子紋身可隨著皮膚狀態任意拉伸彎曲，可說是穿戴式設備的最高境界了。運作原理是 NFC（Near Field Communication，近距離無線通訊），能讓設備靠近時交換數據的技術。

NFC 是在 RFID（無線射頻身分辨識）技術的基礎上結合無線連接技術研發而成，日常場景也為各類電子產品提供安全快捷的通訊支援。行動支付、文件傳輸、門禁、手機與車鑰匙集合的背後，都離不開 NFC──轉到電子紋身，NFC 可確保訊號傳遞。

其實電子紋身有很多用途，如耳機、無線收發器、電源、噪音檢測器、測謊儀等等。作者也提到：「電子紋身在皮膚健康和運動感測有很大潛力。」

然而電子紋身目前問題是：固形性、黏性和多層性等特性不能並存，是研究人員設計新型電子紋身的起因。

多層電子傳遞紋身

研究人員設計出「多層電子傳遞紋身」，即 multilayered electronic transfer tattoo（下稱 METT）。

為了組成多層電路模板，科學家用到兩種材料，一是金屬聚合物導體（metal-polymer conductors），二是彈性體嵌段共聚物（elastomeric block copolymer）。

METT 共有 3 層：

黏合層（adhesive layer）：很薄（~8μm）的壓敏膠，受外部壓力時，黏合層使 METT 與皮膚緊密附著。

釋放層（release layer）：矽酮膜，主要目的是便於電路模板從釋放膜剝離。

兩者間的電路模組：含 3 層電路，每層都嵌有可拉伸導體的聚苯乙烯─丁二烯─苯乙烯（SBS）薄膜（~14μm）。

第一、二層電路上有應變感測器，數量分別為 11 和 4，第三層電路上有一個加熱器。

由於金屬─聚合物導體（metal-polymer conductor）有良好延展、可重複性，因此可用作應變感測器。

如下圖 A、B 所示，基於金屬─聚合物導體的應變感測器電阻，隨著拉伸應變增加而增加，METT 甚至可容易拉伸到 800%，遠遠超過皮膚最大變形度。

METT 可用於溫度調節、運動監測和機器人遠端控制，具高延展性（800%）、固形性和黏性，可做到摺痕放大效果，因而能將聚集應變感測器的輸出訊號放大 3 倍。事實證明，無需任何溶劑或加熱，METT 就能在不同表面牢牢附著。

遠端控制機器手臂

不僅如此，為了展示新型電子紋身的可擴展性，科學家更製造出 7 層 METT，當成可拉伸加熱器。

上圖 A 是 7 層加熱器俯視圖，每個電路層都包含一個基於金屬─聚合物導體的加熱器，兩端有 2 個連接點，用於與其他層加熱器形成垂直電連接。因此，7 個加熱器就以串聯方式連接電源。

上圖 B 展示不同層基於金屬─聚合物導體的加熱器，透過連接點形成的電連接。

論文介紹，除連接點外，金屬─聚合物導體透過 SBS 形成良好電絕緣，熱成像時未發現短路。研究結論之一是，隨著層數增加，紋身的順應性隨厚度增加而降低，兩層電子紋身足以滿足大多數功能。

科學家將 METT 實際應用──透過手指彎曲發出的訊號放大，透過藍牙傳輸到機器手臂，因此 METT 能遠端控制機器手臂，模仿人手動作時也不會出現異常震動。

論文表示，團隊已透過 2 層 METT 做到以 6 個自由度遠端控制機器手，透過 3 層 METT 以 15 個自由度遠端控制機器手。

可肯定的是，未來電子紋身在醫療、VR 和可穿戴式機器人方面有巨大潛力。

附圖：▲ 蘋果手機上的 NFC 功能。
▲ 科學家測試 METT 應變感測器的機電性能。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/12/multilayered-electronic-transfer-tattoo/

讀理科時已讚歎「水」的奇妙。不是生命之源的那種陳腔濫調，而是讚歎它仿似違反物理定律般的存在。由最普遍的氫和氧組成，但對大部份的物質都呈現化學上的惰性（除了激烈的鹼土金屬），因此成了萬物化學反應的理想溶劑。溶於水的離子和不溶於水的羥都需要透過水來表現它們的特質，比方說70%的酒精可以殺菌，但100%的酒精不可以，因為後者變成脫水性了。細菌的外壁沒被分解，反因乾塌而存活。水的沸點很低，才可在常溫下蒸發，但同時比熱容量很高，1 kg吸收4200焦耳的能量才會上升1 ℃，所以核反應堆用它來散熱。1立方米的水的重量剛好是1公噸，是科學家刻意這麼定義的嗎？水亦是極少數在凝固後會密度下降的東西，冰比水輕，才會浮在水面，而不是下沉。縱然知道它背後的原理（氫鍵），理性卻難減我難以置信之情。從細胞到氣象，水的奇性構成了這個世界，但同時又平平無奇地與我們並存，被人類視作一種理所當然的存在。超凡而平凡。

「你喜歡水嗎？那你就等於喜歡70%的我了。」

忽然想到這個梗。

作者

【冠狀病毒能在體外活多久？如何自主健康管理？該知道的都在這裡！】: 如果真的曾經跟感染者擦身而過、共看同一片風景的話，有機會被傳染病毒嗎？病毒到底能在環境中存活多久？自主健康管理又該怎麼做？


■ 冠狀病毒在不同環境的存活狀況？
冠狀病毒（coronavirinae, CoV）是一種具有外套膜（envelope）的RNA病毒，目前已發現了七種會感染人類的冠狀病毒[註1]，其中包含本次疫情的 2019-nCoV（2019新型冠狀病毒，俗稱武漢肺炎）。由於對人類冠狀病毒的研究不易進行，也不能允許較危險或人體的試驗，因此許多研究會利用感染動物的冠狀病毒來進行，來了解冠狀病毒的特性[註2]，因此，我們可以從其他冠狀病毒的研究之中，來理解 2019-nCoV 在環境中可能具備的存活能力。


■空氣：飛沫傳染為主要途徑
目前各國疾病管制機構對 2019-nCoV 在空氣中傳播效果的評估，均認為主要會以飛沫傳染為主，在近距離（1公尺內）會有被傳染的風險。2019-nCoV 並不會像麻疹、水痘病毒一般擁有空氣傳染的能力，因此各國疾管署宣導的預防措施，多以如勤洗手、咳嗽時應遮住口鼻、必要時使用口罩等常規的呼吸系統疾病預防方法為主。


病毒在空氣中的傳播能力，會受到受到空氣溫溼度狀況的影響。幾十年前， Ijaz, et al. (1985) [註3] 就針對過冠狀病毒 HCoV-229E，研究溫溼度對病毒存活的影響，這則研究估算了病毒不同溫濕下的半衰期（half-life，指病毒減少一半所需要的時間，時間越短代表病毒越快速被消滅）。發現低溫（6度）溼度中等（50%）的環境相對最適合這種病毒生存，而高溫（20度）溼度高（80%）則最不利病毒生存。


此外，溫度的影響亦大於溼度的影響。因此，這或許可以用來解釋冬季期間，是冠狀病毒較容易肆虐的季節，而天氣暖和後，疫情也往往漸趨和緩。從這些相關的研究與建議來看，飛沫傳染仍為 2019-nCoV 的最主要傳播路徑，但也需留意極端特定條件發生的空氣傳染，隨氣溫回暖，在類似冠狀病毒的研究中也顯示有助於控制疫情。


■食物和水：衛生安全就免緊張
由於冠狀病毒可以被高溫與胃酸消滅，因此關於食物和水的安全性，較不在冠狀病毒防疫的討論重點。由於冠狀病毒的外套膜可利用加熱、酸、乾燥、清潔劑與各類有機溶劑來輕易破壞[註4]，使得這類病毒往往在烹飪過程，以及消化時因胃酸的強酸而被迅速消滅。WHO (2020) 目前針對 2019-nCoV 的公眾指引中，則建議處理肉類食物應生熟分離，且生熟食處理之間應洗手。


■皮膚：去洗手！
在針對環境酸鹼條件與病毒的研究中，發現了弱酸環境時（pH 6~6.5）最適合各類冠狀病毒生存[註5]。這也代表了勤洗手對防疫的重要，正是因為病毒在皮膚的生存時間，可能遠大於我們忍住不要摸嘴臉的時間…但無論是否為疫情期間，對日常環境的定時清潔與勤洗手，都是防疫的必要行動！


■感染性廢棄物和汙水：下水道系統是關鍵
來自醫療院所的廢棄物如果沒有妥善處理也會有傳染病毒的風險。台灣對於這類廢棄物定義為「生物醫療廢棄物」，因此只要該單位依規定處理，應不至有相關的風險。


對於本次 2019-nCoV疫情，目前已有有限的證據指出患者糞便帶有病毒，雖然過去 SARS 因為糞便汙水的傳染案例仍為汙排水系統異常的特殊個案，也尚無證據與研究指出公共廁所環境會導致其他冠狀病毒的傳染，但仍可留意自宅汙水排水系統是否符合規範且正常運作，而避免過去群聚感染再度發生。


■個人日常生活的防疫原則
如同本文探討的:
(1)部分冠狀病毒可在捷運扶手、衣服布料、電梯按鈕……等日常物體表面生存數十小時
(2)當我們的手碰到後，皮膚的微酸環境有可能合適病毒生存
(3)最後透過揉眼、搔鼻、碰唇 ── 病毒達陣，進入體內


要預防冠狀病毒入侵，策略上正是一一截斷上述傳染鏈:
(1) 讓病毒從「物體表面」消失：環境清潔消毒
(2) 讓病毒從「手上」消失：勤洗手
(3) 讓病毒從「眼鼻口」消失：避免用手觸摸眼、鼻、口


■如果你遇上了感染者，先別緊張
請記得本文介紹的，除極端特定情境，冠狀病毒的主要傳染途徑仍是飛沫傳染，即使你與感染者在同一時刻面對著陽明山的風景，除非你與對方近距離（1公尺內）接觸、剛好手觸碰到對方碰過的物體又用手觸碰了自己的眼口鼻……否則，感染2019-nCoV的機率是極低的。


■目前WHO建議的潛伏追蹤期為14天
依據我國疾管署公布的追蹤管理機制（0205版），所謂自主健康管理，除了上面介紹的勤洗手等個人防疫措施，也包含：
▶避免非必要外出，外出應配戴口罩。
▶每日早晚量體溫一次。
▶到2月14日前，若有不適症狀請撥打1922防疫專線，依指示就醫。


■這是一場還在進行的長期抗戰，需要你我把防疫作戰的心力，用在更有效的地方。當疫情還在蔓延時，多一點認識就少一點恐懼。Keep calm and carry on.





【Reference】
註1：其他六種分別是分類於⍺屬的：HCoV-229E、HCoV-NL63；和分類於β屬的：HCoV-OC43、SARS-CoV、HCoV-HKU1、MERS-CoV，2019-nCoV也屬於這類）。


註2：例如會感染豬的⍺屬豬傳染性胃腸炎病毒（Transmissible gastroenteritis virus, TGEV)）；或是會感染小鼠的β屬鼠冠狀病毒（murine coronavirus, MHV），過去也被用來作為 SARS-Cov 的研究替代物。


註3：
Ijaz, M. K., Brunner, A. H., Sattar, S. A., Nair, R. C., & Johnson-Lussenburg, C. M. (1985). Survival characteristics of airborne human coronavirus 229E. Journal of General Virology, 66(12), 2743-2748.
>>https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2999318


註4：
Parija, S. J. (2009) Textbook of Microbiology & Immunology. India: Elsevier.


註5：
Lamarre, A., & Talbot, P. J. (1989). Effect of pH and temperature on the infectivity of human coronavirus 229E. Canadian journal of microbiology, 35(10), 972-974.


1. 來源
➤➤資料
∎(Pansci 泛科學)【冠狀病毒能在體外活多久？如何自主健康管理？該知道的都在這裡！】: http://bit.ly/3bvnlDV

➤➤照片
∎ 衛生福利部- 疾病管制署( 疾病管制署 - 1922防疫達人 )

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先備知識：
1.溶解度的概念
2.若能先瞭解「極性」「非極性」物質的定義會很好！

影片重點：
1.影響溶解度的因素有三(1)溶質溶劑的本性 (2)溫度 (3)壓力
2.極性溶質易溶於極性溶劑，像是酒精溶於水。
3.非極性溶質易溶於非極性溶液，像是油融於四氯化碳。
4.上兩點為「同類互溶」的例子。
5.溫度對於固體溶質的影響端看固體溶質溶解時是吸熱還是放熱。
6.吸熱者（佔大多數）溶解度隨著溫度上升而上升，放熱者（佔少數）則相反。
7.溫度對於氣體溶質溶解度的影響是溫度上升溶解度下降。
8.壓力對於氣體溶質較有影響，對固、液體幾乎沒有影響。
9.壓力上升時，氣體溶解度下降。

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