刘志远/鲍哲南/陈晓东等，最新Nature！

可拉伸的混合设备，已经实现了高保真的植入式和皮肤上的生理信号监测。这些设备，通常包含与人类和软体机器人的机械要求相匹配的软模块，包含硅基微电子和保护性封装模块的刚性模块。

为了使这种系统在机械上符合要求，模块之间的连接需要承受应力集中，这可能会限制它们的拉伸，最终导致脱胶失败。

在此，来自中国科学院深圳先进技术研究所的刘志远&美国斯坦福大学的鲍哲南&新加坡南洋理工大学的陈晓东等研究者报告了一个通用接口，它可以可靠地将软模块、刚性模块和封装模块连接在一起，以即插即用的方式形成健壮的和高度可拉伸的设备。相关论文以题为“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”于2023年02月15日发表在Nature上。

可拉伸混合器件，通过连接几个模块组装在一起(图1a)。它们可分为三种基本类型：机械匹配人体或软体机器人的组织/皮肤的软模块，由硅基微电子组成的刚性模块和用于保护的封装模块。

这些模块具有不同的材料、形状因素和加工技术，通常是独立制造的，然后使用各向异性导电膜(ACF)和银糊等商业导电糊进行组装。挑战在于，由于浆料和模块之间的机械不匹配，组装的连接在变形下会出现界面破坏。这个问题极大地限制了可拉伸电子系统的复杂性和鲁棒性。

图1. 可拉伸混合设备的BIND连接

人们尝试了各种方法来解决这些问题。全软电子(没有刚性Si组件)已被开发以消除界面处的机械失配。然而，硅基器件仍然是信号处理和无线通信所必需的。

也有人用液态金属代替刚性浆料，但其高表面张力导致界面附着力低，并可能涂抹到不需要的地方。由具有导电填料的自愈合聚合物或水凝胶基质组成的复合材料，可能会消除或替代浆料的使用。

然而，它们的大厚度(几十到几百微米)导致机械不匹配和降低机械或电气稳健性，以及不适用于超薄电子设备。

在此，研究者创建了一个双相、纳米分散(BIND)接口，以即插即用的方式，无需使用浆料(图1b)，可以可靠地将软模块、刚性模块和封装模块连接在一起。任何带有BIND接口的模块，都可以简单地面对面压在一起，在不到10秒的时间内形成BIND连接(图1c)。

研究者通过热蒸发金(Au)或银(Ag)纳米颗粒制备BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)热塑性弹性体内部形成互穿纳米结构，SEBS是一种广泛应用于可拉伸电子产品的软基板。

SEBS基质表面附近的纳米颗粒形成了一个双相层(大约90纳米深)，其中一些纳米颗粒完全浸入其中，而另一些纳米颗粒部分暴露在外(图1b插图)。这种界面结构在表面产生了暴露的SEBS和Au，在基体内部产生了互穿的Au纳米颗粒，这为坚固的BIND连接提供了连续的机械和电气途径。

研究表明，通过该接口连接的软-软模块的机械和电气拉伸性能分别达到600%和180%。软模块和硬模块也可以使用上述接口进行电连接。具有该界面的软模块的封装具有强粘接性，界面韧性为0.24 N mm⁻¹。作为概念证明，研究者使用该接口组装可拉伸装置，用于体内神经调节和皮肤肌电图，具有高信号质量和机械阻力。

图2. BIND接口和连接的结构分析

图3. 通过即插即用BIND连接组装的体内神经调节可拉伸装置

图4. 使用即插即用BIND连接组装的21通道皮肤肌电图电极阵列

综上所述，研究者报告了一个高度可拉伸的BIND接口，它可以将软、刚性和封装模块集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合设备。BIND界面包含互穿金属和聚合物纳米结构，分别形成连续的机械和电途径。

研究者利用双相网络生长模型，分析了形成过程的纳米力学。该装置实现了具有高电拉伸性(>180%)和机械拉伸性(>600%)的软-软BIND连接。软硬BIND连接涉及刚性/柔性衬底，如PI, PET，玻璃和金属，也达到了大约200%的高电拉伸性。

此外，软封装BIND连接具有很强的粘附性，显示出比常规封装大60倍的界面韧性。一种可拉伸的混合装置，用于体内神经调节，由不同形状的模块组成，使用BIND连接，比单一厚度的单片电极表现更好。

进一步表明，用于构建更复杂的21通道皮肤肌电图电极的即插即用BIND连接使人们能够收集高质量的肌电图信号，并具有抗机械干扰的能力。通过即插即用的BIND接口，构建具有不同功能和复杂性的可拉伸混合设备变得简单而快速，为皮肤上和植入式人机交互提供了无限的选择。

作者简介

鲍哲南（Zhenan Bao），美国国籍，柔性电子学家。1970年11月出生于中国江苏省南京市。1995年获得美国芝加哥大学博士学位。现任美国斯坦福大学化学工程系主任、K. K. Lee特聘教授，化学系和材料科学工程系客座教授。2016年，鲍哲南教授创立斯坦福大学可穿戴电子中心并任主任，同年当选为美国国家工程院院士，2017年当选为美国国家发明家学会会士，2021年当选为中国科学院外籍院士、美国艺术与科学院院士。

鲍哲南教授是有机电子材料和器件领域的国际著名学者，是国际同行公认的印刷有机电子和仿生有机电子的开创者和领导者。她的研究成果为下一代基于有机光电材料的柔性电子技术提供了重要的原理和技术支撑，目前，鲍哲南教授已拥有超过100项美国授权专利。同时，她还是两个硅谷科技公司的创始人。

她发表了700多篇研究论文，获授权130多项美国专利，其谷歌学术（Google Scholar）的H指数 > 180。她开创了有机电子材料的分子设计概念，使柔性电子电路和显示器件成为可能。在过去的十几年中，她开发了以皮肤为灵感的有机电子材料，为医疗设备、能源存储和环境应用方面带来了前所未有的性能或功能。

鲍哲南教授受人类皮肤敏感和可拉伸特质的启发，在世界上首次设计出类皮肤触感有机电子器件，代表性工作分别发表在《自然•材料》和《自然•纳米科技》上，自2010年发表以来，两篇论文的引用分别逾1840和2230次。这一研究成果被《发现》杂志评为2010年度Top100最重要发现。她同时获得凤凰卫视联合海内外10余家知名华文媒体和机构共同评选的“影响世界华人大奖”。

近期，她又在新型有机电子材料的制备方面取得了重大突破，这一成果打破了对传统光电材料的认识观念，实现了有机电子材料在不丧失电学性能的同时还能够像皮肤一样柔软。此外，她还在人机结合领域做出了开创性工作，2015年发表在《科学》上，首次了实现人造电子皮肤与大脑的链接，为未来智能电子器件的开发奠定了技术基础。鉴于她在开发人造皮肤领域作出的卓越贡献，2017年鲍哲南教授获得了联合国教科文组织“世界杰出女科学家奖”。

刘志远教授，中国工程院中国工程前沿杰出青年学者，中国科学院深圳先进技术研究院生物界面柔性传感实验室负责人，粤港澳大湾区重点实验室学术带头人；主持国家重点研发计划课题，深圳市孔雀团队等重点项目。在国际顶级期刊Nature Chemical Biology, Advanced Materials, JACS, ACS Nano等发表文章40余篇，曾获美国材料学会优秀博士生金奖、新加坡材料学会优秀博士生奖、国家优秀留学生奖等奖项。

陈晓东，现任是新加坡南洋理工大学材料科学与工程校长讲席教授，兼化学教授和医学教授。本科就读于福州大学、硕士毕业于中科院化学所，博士毕业于明斯特大学，美国西北大学从事博士后研究，2009年起任职于新加坡南洋理工大学。

陈晓东教授及其所带领的团队特别关注柔性电子传感和储能器件研究中的基本科学和技术问题，并长期致力于推动人工电子皮肤的智能化发展；研究重点包括开发软材料，应用于柔性器件、能源存储和医疗保健等。陈晓东教授目前是ACS Nano 和 ACS Applied Bio Materials 的顾问编委员会成员，并担任 ACS Materials Letters 副主编。

文献信息

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

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/12/6f2dbb7a37/

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