模块化可伸缩电子装置的磁性连接器
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Gerald Kettlgruber、Doris Danninger、Richard Moser、Michael Drack、Christian M.Siket、 Daniela Wirthl、Florian Hartmann、Maoyong Mao、Martin Kaltenbrunner和Siegfried Bauer 约翰内斯开普勒大学实验物理研究所软物质物理分部
约翰内斯开普勒大学林茨理工学院软材料实验室 摘要 穿戴式医疗设备可监视医院外患者的状况，从而增加治疗能力和资源。同时，患者可从无线数据传输和兼容的设备设计中受益，从而加快康复过程，并将其整合到正常的日常活动中。 然而，由于设备需要适应大量不同的患者和治疗方案，给个性化治疗的成功实施带来了广泛的工程挑战。在此，本文介绍了通过磁性点击机制可逆地组装的移动健康(mHealth)设备的软构建块。具有固有保护机制的可靠磁性连接器可实现个性化的可穿戴mHealth设备，而与(所需)测量技术无关。 可伸缩的弹性体单元与不可感知电极结合，通过控制磁连接的打开力来防止过度拉伸。可伸缩装置在超过1万次的开启周期中保持电气和机械功能，符合消费电子产品中使用的通用串行总线C型(USB C)连接器的标准。 由可靠连接的电路组装而成的功能齐全且自主的脉冲传感器腕带，展示了适用于mHealth设备的可行实施方案。即插即用的模块化确保了适用性独立于患者的需求，而不会牺牲功能性和耐用性。 正文 医疗监测正在从笨重的医院固定设备转变为用于个性化诊断的小型可穿戴设备，健身/活动追踪器等生活方式产品已经上市。这些小工具是为检查特定的身体功能而设计的，24小时的监控是最具洞察力的，但很难实现。 体温、心率、呼吸频率和血压(BP)是医学专业人员日常测量的四大主要生命体征，然而，个人的需求往往与所进行的活动有关。足部压力分布(FPD)测量可以揭示姿势问题的根源，而对于长期医学监测和监视，血压、肌电图(EMG)、脑电图(EEG)或心电图(ECG)测量(图1A)至关重要。 因此，有必要让患者自己轻松地移动和使用用户友好的设备。随着可塑形磁电子器件、皮肤上的血流传感器和可穿戴的汗液传感器等应用的快速发展，可伸缩设备正在发展成为可配置和可穿戴医疗监测平台。 模块化方法使知情患者能够根据当前需求交换具有不同输入和输出特性的功能单元(图1B)。复杂而昂贵的模块(如数据处理和通信单元)的再利用，加上一次性组件(如无菌或可生物降解的传感器贴片)的交换，为电子设备和材料的可持续管理提供了极好的途径。例如，利用自愈合材料来实现皮肤上可伸缩电子器件的模块化，但是这个的方法仍然需要提前完成设计过程，并且没有提供可由病人自己执行的即插即用的模块化。我们在这里介绍了安全磁连接器，使模块化可伸缩电子电器的开发与一个集成的保护机制，以保护应变敏感的部分，从机械故障。传统的模块化电子产品通常使用钳形或插头-插座连接。然而，磁链已经在商业或工业上得到了很好的应用，尽管仅限于刚性器件。例如，它们被用于消费型笔记本电脑的电源连接器，是完全刚性的，也被用于软机器人和微流体设备的组装，现在也进入了医疗电子系统领域。此外，尽管仍处于早期阶段，但具有电和磁特性的液态金属的利用，为将磁性连接纳入可伸缩装置提供了一条很有前途的途径。 在本文中，我们证明了基于可伸缩电子电路的磁性连接器在电和机械两方面连接移动健康应用的单个功能单元的可行性。除了医疗应用，我们的连接器还可以显著简化传感器和数据传输单元与软机器人的整合，从而实现智能的独立解决方案。在我们的方法中，我们制造出可伸缩模块，其中包含一个带有嵌入磁铁的弹性体基体，以及通过在顶部起皱纹使其可伸缩的电子线路(图1C)。弹性体中的磁体在具有可调保持/释放力的单个单元之间建立机械和电气连接(图1D)。这使得各种特定任务单元的制造变得容易，包括电源、传感器和通信模块，这些模块具有防止敏感电子部件过度拉伸的内在保护。我们阐述了实现至少10000个开启和关闭周期的设计过程，安全磁连接器的制造过程，以及模块化mHealth脉冲传感腕带的概念验证。 整个设备由三个具有不同任务的独立模块组成。一个定制的脉冲传感器利用了血液的光学反射特性，而第二个单元装有一个微控制器，该微控制器带有蓝牙低能量(BLE)模块，用于获取传感器数据，并将其传输到任何蓝牙兼容的设备(如手机)。第三个模块作为脉冲和通信模块的电源(图1C)。
图1.身体传感器和模块化单元概念。A)多种人体传感器可用于监测人体功能，如BP、肌电图(EMG)、脑电图(EEG)、ECG或FPD。B)即插即用结构，由传感器、电源、通信、信号处理单元组成。C)用于脉搏监测的软mHealth腕带的全功能演示，包括三个单元。背面为脉冲测量传感器单元，前面为包含集成BLE模块的微处理器的单元，电源单元安装在BLE单元的后面。D)通过磁连接器连接的两个模块的原理图。 在硬插插座连接器上使用磁性可以节省嵌入到可伸缩矩阵中，保持设备柔软的表面特性。此外，他们提供了一个零力配合能力，并防止错误连接。该设计概念由两个模块来演示:一个模块装有传感器，另一个模块装有通信单元。在这两个单元中，封装刚性部件的岛是由杨氏模量较高的弹性体(聚二甲基硅氧烷[PDMS])制造的，而不是相互连接的大块材料(Ecoflex 00-30;图2 a)。采用弹性模量梯度弹性体的刚性岛方法减小了关键部件的应力，避免了传感器的不利运动。有限元仿真和原型证明了这种设计的有益效果(图2B,C)。传感器/通信岛在负载下没有应变或应力，因此最适合定位刚性电子元件(图2D,E)。 除了确保刚性模块的保护外，电极的连续运行也同样至关重要。由于磁性连接器固有的固定/释放力，可以实现可靠的故障安全装置，以防止过度拉伸，确保机械和电气连接的紧密配合。我们将磁体集成到基于弹性体模块的两端，使两个相对的隐形电极之间既能实现机械连接，又能实现电接触(图2F)。通过将金属化超薄(1.4流明)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)箔放置在预拉伸的弹性体上，这些电极具有可拉伸性。释放预应变会使电极形成垂直于拉伸方向的面外褶皱，从而形成一个预应变高达75%的可逆可拉伸系统(图2G)。皱纹的波长用一个屈曲模型估计，可视为厚弹性体基板上有一层坚硬的薄膜层。 将不易察觉的电极拉伸超过先天预应变会导致破裂。直到等于预应变的伸长率，金属电极才会展开并最终变平。在这种情况下，拉伸力主要由弹性体基底的弹性决定，电极的电阻实际上保持恒定(图S1，支持信息)。随着电极应变ε电极的增大，电极变平，同时发生了变硬，并成为总拉伸力的主要贡献者(公式1)
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