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可拉伸的混合設備，已經(jīng)實現(xiàn)了高保真的植入式和皮膚上的生理信號監(jiān)測。這些設備，通常包含與人類和軟體機器人的機械要求相匹配的軟模塊，包含硅基微電子和保護性封裝模塊的剛性模塊。

為了使這種系統(tǒng)在機械上符合要求，模塊之間的連接需要承受應力集中，這可能會限制它們的拉伸，最終導致脫膠失敗。

在此，來自中國科學院深圳先進技術(shù)研究所的劉志遠&美國斯坦福大學的鮑哲南&新加坡南洋理工大學的陳曉東等研究者報告了一個通用接口，它可以可靠地將軟模塊、剛性模塊和封裝模塊連接在一起，以即插即用的方式形成健壯的和高度可拉伸的設備。相關(guān)論文以題為“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”于2023年02月15日發(fā)表在Nature上。

可拉伸混合器件，通過連接幾個模塊組裝在一起(圖1a)。它們可分為三種基本類型：機械匹配人體或軟體機器人的組織/皮膚的軟模塊，由硅基微電子組成的剛性模塊和用于保護的封裝模塊。

這些模塊具有不同的材料、形狀因素和加工技術(shù)，通常是獨立制造的，然后使用各向異性導電膜(ACF)和銀糊等商業(yè)導電糊進行組裝。挑戰(zhàn)在于，由于漿料和模塊之間的機械不匹配，組裝的連接在變形下會出現(xiàn)界面破壞。這個問題極大地限制了可拉伸電子系統(tǒng)的復雜性和魯棒性。

圖1. 可拉伸混合設備的BIND連接

人們嘗試了各種方法來解決這些問題。全軟電子(沒有剛性Si組件)已被開發(fā)以消除界面處的機械失配。然而，硅基器件仍然是信號處理和無線通信所必需的。

也有人用液態(tài)金屬代替剛性漿料，但其高表面張力導致界面附著力低，并可能涂抹到不需要的地方。由具有導電填料的自愈合聚合物或水凝膠基質(zhì)組成的復合材料，可能會消除或替代漿料的使用。

然而，它們的大厚度(幾十到幾百微米)導致機械不匹配和降低機械或電氣穩(wěn)健性，以及不適用于超薄電子設備。

在此，研究者創(chuàng)建了一個雙相、納米分散(BIND)接口，以即插即用的方式，無需使用漿料(圖1b)，可以可靠地將軟模塊、剛性模塊和封裝模塊連接在一起。任何帶有BIND接口的模塊，都可以簡單地面對面壓在一起，在不到10秒的時間內(nèi)形成BIND連接(圖1c)。

研究者通過熱蒸發(fā)金(Au)或銀(Ag)納米顆粒制備BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)熱塑性彈性體內(nèi)部形成互穿納米結(jié)構(gòu)，SEBS是一種廣泛應用于可拉伸電子產(chǎn)品的軟基板。

SEBS基質(zhì)表面附近的納米顆粒形成了一個雙相層(大約90納米深)，其中一些納米顆粒完全浸入其中，而另一些納米顆粒部分暴露在外(圖1b插圖)。這種界面結(jié)構(gòu)在表面產(chǎn)生了暴露的SEBS和Au，在基體內(nèi)部產(chǎn)生了互穿的Au納米顆粒，這為堅固的BIND連接提供了連續(xù)的機械和電氣途徑。

研究表明，通過該接口連接的軟-軟模塊的機械和電氣拉伸性能分別達到600%和180%。軟模塊和硬模塊也可以使用上述接口進行電連接。具有該界面的軟模塊的封裝具有強粘接性，界面韌性為0.24 N mm^?1。作為概念證明，研究者使用該接口組裝可拉伸裝置，用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)和皮膚肌電圖，具有高信號質(zhì)量和機械阻力。

圖2. BIND接口和連接的結(jié)構(gòu)分析

圖3. 通過即插即用BIND連接組裝的體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)可拉伸裝置

圖4. 使用即插即用BIND連接組裝的21通道皮膚肌電圖電極陣列

綜上所述，研究者報告了一個高度可拉伸的BIND接口，它可以將軟、剛性和封裝模塊集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合設備。BIND界面包含互穿金屬和聚合物納米結(jié)構(gòu)，分別形成連續(xù)的機械和電途徑。

研究者利用雙相網(wǎng)絡生長模型，分析了形成過程的納米力學。該裝置實現(xiàn)了具有高電拉伸性(>180%)和機械拉伸性(>600%)的軟-軟BIND連接。軟硬BIND連接涉及剛性/柔性襯底，如PI, PET，玻璃和金屬，也達到了大約200%的高電拉伸性。

此外，軟封裝BIND連接具有很強的粘附性，顯示出比常規(guī)封裝大60倍的界面韌性。一種可拉伸的混合裝置，用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)，由不同形狀的模塊組成，使用BIND連接，比單一厚度的單片電極表現(xiàn)更好。

進一步表明，用于構(gòu)建更復雜的21通道皮膚肌電圖電極的即插即用BIND連接使人們能夠收集高質(zhì)量的肌電圖信號，并具有抗機械干擾的能力。通過即插即用的BIND接口，構(gòu)建具有不同功能和復雜性的可拉伸混合設備變得簡單而快速，為皮膚上和植入式人機交互提供了無限的選擇。

作者簡介

鮑哲南（Zhenan Bao），美國國籍，柔性電子學家。1970年11月出生于中國江蘇省南京市。1995年獲得美國芝加哥大學博士學位。現(xiàn)任美國斯坦福大學化學工程系主任、K. K. Lee特聘教授，化學系和材料科學工程系客座教授。2016年，鮑哲南教授創(chuàng)立斯坦福大學可穿戴電子中心并任主任，同年當選為美國國家工程院院士，2017年當選為美國國家發(fā)明家學會會士，2021年當選為中國科學院外籍院士、美國藝術(shù)與科學院院士。

鮑哲南教授是有機電子材料和器件領域的國際著名學者，是國際同行公認的印刷有機電子和仿生有機電子的開創(chuàng)者和領導者。她的研究成果為下一代基于有機光電材料的柔性電子技術(shù)提供了重要的原理和技術(shù)支撐，目前，鮑哲南教授已擁有超過100項美國授權(quán)專利。同時，她還是兩個硅谷科技公司的創(chuàng)始人。

她發(fā)表了700多篇研究論文，獲授權(quán)130多項美國專利，其谷歌學術(shù)（Google Scholar）的H指數(shù) > 180。她開創(chuàng)了有機電子材料的分子設計概念，使柔性電子電路和顯示器件成為可能。在過去的十幾年中，她開發(fā)了以皮膚為靈感的有機電子材料，為醫(yī)療設備、能源存儲和環(huán)境應用方面帶來了前所未有的性能或功能。

鮑哲南教授受人類皮膚敏感和可拉伸特質(zhì)的啟發(fā)，在世界上首次設計出類皮膚觸感有機電子器件，代表性工作分別發(fā)表在《自然?材料》和《自然?納米科技》上，自2010年發(fā)表以來，兩篇論文的引用分別逾1840和2230次。這一研究成果被《發(fā)現(xiàn)》雜志評為2010年度Top100最重要發(fā)現(xiàn)。她同時獲得鳳凰衛(wèi)視聯(lián)合海內(nèi)外10余家知名華文媒體和機構(gòu)共同評選的“影響世界華人大獎”。

近期，她又在新型有機電子材料的制備方面取得了重大突破，這一成果打破了對傳統(tǒng)光電材料的認識觀念，實現(xiàn)了有機電子材料在不喪失電學性能的同時還能夠像皮膚一樣柔軟。此外，她還在人機結(jié)合領域做出了開創(chuàng)性工作，2015年發(fā)表在《科學》上，首次了實現(xiàn)人造電子皮膚與大腦的鏈接，為未來智能電子器件的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎。鑒于她在開發(fā)人造皮膚領域作出的卓越貢獻，2017年鮑哲南教授獲得了聯(lián)合國教科文組織“世界杰出女科學家獎”。

劉志遠教授，中國工程院中國工程前沿杰出青年學者，中國科學院深圳先進技術(shù)研究院生物界面柔性傳感實驗室負責人，粵港澳大灣區(qū)重點實驗室學術(shù)帶頭人；主持國家重點研發(fā)計劃課題，深圳市孔雀團隊等重點項目。在國際頂級期刊Nature Chemical Biology, Advanced Materials, JACS, ACS Nano等發(fā)表文章40余篇，曾獲美國材料學會優(yōu)秀博士生金獎、新加坡材料學會優(yōu)秀博士生獎、國家優(yōu)秀留學生獎等獎項。

陳曉東，現(xiàn)任是新加坡南洋理工大學材料科學與工程校長講席教授，兼化學教授和醫(yī)學教授。本科就讀于福州大學、碩士畢業(yè)于中科院化學所，博士畢業(yè)于明斯特大學，美國西北大學從事博士后研究，2009年起任職于新加坡南洋理工大學。

陳曉東教授及其所帶領的團隊特別關(guān)注柔性電子傳感和儲能器件研究中的基本科學和技術(shù)問題，并長期致力于推動人工電子皮膚的智能化發(fā)展；研究重點包括開發(fā)軟材料，應用于柔性器件、能源存儲和醫(yī)療保健等。陳曉東教授目前是ACS Nano 和 ACS Applied Bio Materials 的顧問編委員會成員，并擔任 ACS Materials Letters 副主編。

文獻信息

Jiang, Y., Ji, S., Sun, J.?et al.?A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices.?Nature?614, 456–462 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-z

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z

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