梳理：全球柔性可穿戴电子研究团队及其研究进展

柔性可穿戴电子，顾名思义，泛指具备机械柔性并且能够直接或间接与皮肤紧密贴合的电子装置或设备。可穿戴电子可能是一组各种功能性设备，如显示器，传感器，电池等，它们在人体表面或人体内工作。

美国《科学》杂志将柔性电子技术列为2000年世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、生物克隆技术等重大发现并列。2000年，美国科学家艾伦黑格、艾伦·马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作获得2000年诺贝尔化学奖。

柔性可穿戴电子具有较大的机械灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足人体对于设备的形变要求；但是相应的技术要求同样制约了柔性电子的发展。首先，柔性电子在不损坏本身电子性能的基础上的伸展性和弯曲性，对电路的制作材料提出了新的挑战和要求；其次，柔性电子的制备条件以及组成电路的各种电子器件的性能，相对于传统的电子器件来说也是其发展的一大难题。

目前，柔性可穿戴电子的研究应用体现在人类生活的很多方面，如电子皮肤、可穿戴生理监测治疗装置、柔性导电织物、薄膜晶体管和透明薄膜柔性门电路等。柔性电子的研究已经从起步阶段迈入实质性发展阶段，国内外对于柔性电子行业的研究热度一直居高不下。本文结合部分国内外知名柔性电子研究团队的简单介绍，对柔性电子行业的发展情况与热点方向进行阐述。

1.王中林

王中林于1987年获得亚利桑那州立大学博士学位。他是乔治亚理工学院材料科学与工程及董事会教授的Hightower主席、国际顶尖纳米科学家、能源技术专家，中国科学院外籍院士，欧洲科学院院士，佐治亚理工学院终身教授，中国科学院北京纳米能源与系统研究所所长，中国科学院大学纳米科学与技术学院院长。

王中林在国际一流刊物上发表了1100篇期刊论文，150项专利，5本专著和20余本编辑书籍和会议文集。已被邀请做过900多次学术讲演和大会特邀报告。发表论文已被引用173000次以上，H因子146。他是世界上在材料和纳米技术论文引用次数最多的前五位作者之一。

王中林团队的主要研究工作主要集中在以下几个方向：第一，纳米能源技术和自驱动纳系统技术。纳米发电机的原理是利用压电效应所产生的电场来驱动外电路电子的瞬时流动。第二，王中林基于纳米级压电和半导体性能的巧妙耦合提出了纳米压电电子学 (nanopiezotronics)的概念，即利用压电效应所产生的电场来调制和控制载流子运动的原理来制造新型的器件，首次制造出压电场效应三级管，压电二极管，压电调控的逻辑运算电路。第三，氧化锌纳米材料的合成，表征，生长机理和应用。

近年来，王中林团队结合自身对于自驱动电子系统的技术优势，将其与柔性可穿戴设备的需求结合，开发了一系列可以进行自驱动的多功能柔性可穿戴设备。

图1展示了一种用于制造纺织品平面微型超级电容器的简单而新颖的方法¹，并且可能将其并入到服装中。值得注意的是，这里展示的器件具有出色的机械耐用性和电化学稳定性，即使在严重的弯曲和扭曲条件下也是如此。

图1 基于纺织品的微型超级电容器（MSC）的制造

图2展示了由机械柔性和可伸展的传感器网络组成的电子皮肤²，可以通过各种感觉检测，量化各种刺激以模拟人体感觉系统，具有触觉，热/冷和皮肤疼痛的感觉受体和神经通路。这个系统在类人机器人，新的假肢，人机界面和健康监测技术方面有着更广泛的应用。

图2 皮肤启发高伸缩性和舒适矩阵网络。

2.鲍哲楠

鲍哲楠教授是斯坦福大学化学工程系教授。在2004年加入斯坦福大学之前，她曾在1995年至2004年期间担任贝尔实验室的技术人员，朗讯科技的杰出成员。她拥有超过400份的参考出版物和60多项美国专利，Google学术搜索H指数110以上。鲍哲楠是美国国家工程院院士。她是MRS，ACS，AAAS，SPIE，ACS PMSE和ACS POLY的会员。她曾在2003-2005年担任MRS董事会成员，并担任美国化学学会高分子材料科学与工程部执行委员会成员。

鲍哲楠开创了有机电子材料的一些设计概念。她的工作使柔性电子电路和显示器成为可能。在她最近的工作中，她开发了皮肤启发的有机电子材料，在医疗设备，能源存储和环境应用中实现了前所未有的性能或功能。

图3介绍了一种制造工艺，可以从各种拉伸电子聚合物中获得高产量和均匀性的电子系统。展示了一种可伸缩的聚合物晶体管阵列，每平方厘米具有前所未有的347个晶体管器件密度。晶体管的平均电荷载流子迁移率与非晶硅相当。这种工艺为其他可拉伸聚合物材料提供了一个通用平台，可用于制造下一代可拉伸皮肤电子设备³。

图3 高密度柔性晶体管阵列

3.John A. Rogers

约翰·罗杰斯教授于1989年获得德克萨斯大学奥斯汀分校化学和物理学学士学位和理学学士学位。在材料科学与工程系获得主要任命，在化学，生物工程，机械科学与工程，电子和计算机工程系共同任命。他目前是赛兹材料研究实验室的主任。从2016年9月开始，罗杰斯教授除了领导新的生物集成电子中心外，还将担任路易斯辛普森和金伯利奎里生物医学工程和医学材料科学与工程教授。

罗杰斯的研究旨在了解和利用“软”材料的有趣特性，如聚合物，液晶和生物组织，以及它们与不同寻常类别的微/纳米材料的混合组合，其形式为带状，线状，膜状，管或相关。目标是控制和诱导这些材料中的新型电子和光子响应;并开发新的“软平版印刷”和仿生方法来对它们进行图案化并指导它们的生长。目前的研究主要集中在适形电子学，纳米光子结构，微流体器件和微机电系统等软材料。

图4展示了一种能够精确，连续测量生理健康的薄而柔软的皮肤状传感器⁴。该传感器可用于整个身体的温度和压力传感，无电池设备设计，无线供电。已经在临床睡眠实验室和可调式医院病床上进行了人体研究，具备了包括监测昼夜循环和减轻压力诱发的皮肤溃疡的风险。

图4 用于全身监测的无线，无电池表皮传感器的概念

4.陈立东

陈立东，1981年毕业于湖南大学，1984年10月赴日本留学，1990年4月获日本东北大学获工学博士学位。先后在日本RIKEN株式会社（Chief Engineer）、日本航空宇宙技术研究所（特别研究员）、美国密西根大学物理系（访问学者）、日本东北大学金属材料研究所（助手，副教授）任职和工作。2001年获中国科学院海外杰出人才引进计划（百人计划）资助进入上海硅酸盐研究所工作，2003年获国家杰出青年基金资助，2004年获得上海市优秀留学回国人才奖和中国科学院百人计划终期评估优秀。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任，国际热电学会理事会理事，亚洲热电联盟主席。

目前通常使用的柔性半导体材料（碳纳米管、有机材料、石墨烯、MoS2等）难以同时满足力学延展性、高载流子迁移率以及合适的能带结构。陈立东团队报道了一种在室温条件具有类似金属的优异延展性的无机半导体材料⁵。这项工作开辟了寻找韧性无机半导体/陶瓷用于柔性电子器件的可能性（图5）。

图5 柔性半导体α-Ag₂S的室温下机械性能

5.陈晓东

陈晓东现任新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院副院长（教职），荣获南洋理工大学南洋研究奖，陈晓东，新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院副教授。主要从事可程序化材料在能源的转化、柔性电子器件、以及纳米生物界面等方面的工作。研究成果在Nature Nanotech, Nature Chemistry, Nature Communications, Adv Mater, JACS, 和 Angew Chem等国际知名学术刊物发表SCI 论文近170余篇，他引超过5000次。

陈晓东课题组的工作主要集中于发展可程序化材料以及探索它们在能源的转化、柔性电子器件、以及纳米生物界面等方面的工作，并且尝试将材料，器件与生物医学应用相结合，发展出在生物医学领域更先进、更具实用价值的新型器件。

近年来，陈晓东团队除对柔性电子领域常见的聚合物进行深入研究以外，积极开发天然材料在柔性电子领域的应用，已经成功将纯天然的丝素蛋白作为柔性衬底实现了简单的柔性电子器件功能⁶（图6）。这一系列工作为天然的生物相容性和生物可降解性的材料应用到柔性可穿戴设备提供了可能性。

图6 用于皮肤上电子应用的增塑丝蛋白

 随着全球信息化的加速，人与信息的有机融合是未来的发展趋势，电子元器件的柔性化一旦实现，将从本质上促进人与信息的高效交流。目前，柔性可穿戴电路在生物医疗领域发展最为迅速。各种体外诊断、植入式外科手术将会成为未来医疗领域的重要辅助乃至主要手段。另外，在通信娱乐及运动领域，柔性可穿戴电子将会向穿戴便捷、外型时尚和功能全面等方向前进。在工程领域，柔性电子器件的发展也将会向精密度更高、可靠性更强和敏感度更高的方向发展。

1 Pu, X. et al. Wearable Textile-Based In-Plane Microsupercapacitors. Advanced Energy Materials 6, 1601254, doi:10.1002/aenm.201601254 (2016).

2 Hua, Q. et al. Skin-inspired highly stretchable and conformable matrix networks for multifunctional sensing. Nature communications 9, 244, doi:10.1038/s41467-017-02685-9 (2018).

3 Wang, S. et al. Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array. Nature 555, 83-88, doi:10.1038/nature25494 (2018).

4 Han, S. et al. Battery-free, wireless sensors for full-body pressure and temperature mapping. Science translational medicine 10, eaan4950 (2018).

5 Shi, X. et al. Room-temperature ductile inorganic semiconductor. Nature materials 17, 421-426, doi:10.1038/s41563-018-0047-z (2018).

6 Chen, G. et al. Plasticizing Silk Protein for On-Skin Stretchable Electrodes. Advanced materials, e1800129, doi:10.1002/adma.201800129 (2018).

本文由材料人专栏科技顾问张淇供稿。