三位柔性电子大牛-鲍哲南教授、John A. Rogers教授、Takao Someya教授的近期研究进展

鲍哲南教授简介

斯坦福大学鲍哲南教授是第一个在斯坦福当院长的华人女性，也是柔性电子领域的泰斗级人物。她关于“人造皮肤”的研究，取得了世人瞩目的成果，被媒体称为当今世界化学工程领域的“黑科技”。2015年，鲍哲南教授因“能传导触觉的人工皮肤”相关工作，入选Nature评选的十大年度人物；2016年，因在柔性电子器件的有机半导体材料领域的贡献，当选美国工程院院士。2020年，鲍哲南教授成为“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize(颠覆者和创新者奖)”首位获奖者。鲍哲南教授因“在导电聚合物分子设计及其应用领域所做的广泛且具有颠覆性的研究，以及在人造电子皮肤和其他生物电子器件开发方面的突出进展”而获奖。她在这一领域的工作包括可拉伸电路、柔性电池和医用植入物与生物组织连接材料的开发。利用这些可拉伸电子材料可以构建与活体组织接合的器件，这种电子皮肤可应用于人体假肢和机器人。

John A. Rogers教授简介

John A. Rogers 院士作为全球柔性电子技术研究的开创性领军人物，其开创的柔性电子技术研究开启了传统硬质无机电子技术产业从“硬”到“柔”的跨越，对于推动柔性电子技术成为融合数字、物理和生物世界的变革性力量，改变未来世界生活形态的可能性都具有非凡的意义。Rogers 教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得了物理化学博士学位，之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。从2003年开始，Rogers教授在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授至今。从2016年9月份开始，担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。同时Rogers教授也是美国国家工程院院士（NAE; 2011），美国艺术与科学学院院士（AAAS; 2014），美国国家科学院院士（NAS；2015）。Rogers教授的研究包括纳米和分子规模材料的基础、制造和应用，以及特殊电子和光子器件的图形化技术，其重点是生物集成和仿生系统。其中，他的研究团队着重于理解并且以色带、导线、薄膜、管或其它相关的形式，开拓对柔性材料例如聚合物、液晶、生物组织以及它们与特殊微纳米材料的复合物的有趣特性的利用。这些工作结合了多学科的基础研究与前瞻性的工程，用于生物和生物集成技术、适形电子、纳米光子结构、微流器件、微机电系统等所有前沿技术的柔性材料。

Tokao Someya教授简介

Takao Someya教授于1997年在东京大学获得了电子工程系博士学位。2001至2003年间，他曾在哥伦比亚大学的纳米中心（NSEC），Bell实验室和朗讯科技公司担任访问学者。自2009年开始，他分别担任东京大学电气与电子工程系教授和普林斯顿大学的全球学者。此外，自2011年3月开始，他担任了NEDO/JAPERA项目的项目负责人和JST/ERATO项目的研究主任。Takao Someya教授的研究包括有机晶体管，柔性电子，塑料集成电路，大面积传感器和塑料执行器。目前，其团队主要关注的研究主题是有机器件的生物医学应用。通过利用有机器件的柔软性和有机分子的独特功能，将生物体与电子设备协调、融合，并开发出生物有机设备。特别是其团队已经成功开发出世界上最轻、最薄的柔性集成电路，发光器件和有机太阳能电池，并在可穿戴电子产品中实现应用。

鲍哲南教授近期研究进展

1. Science: 对温度和应力同时响应的柔性传感器

柔性电子皮肤发展自今，已经可以实现如同人类皮肤一样感知应力和温度的变化。但是这一类电子皮肤需要通过微纳加工集成上不同的传感器，因此结构十分复杂。近期，斯坦福大学鲍哲南团队和浦项科技大学Unyong Jeong利用离子弛豫动力学原理，以简单的双电极电容的结构，制作出可以实现对温度和应力同时响应的柔性传感器。将这种传感器做成10×10的阵列，即可实现像人类皮肤一样具有温感和触感的电子皮肤。这种电子皮肤以最简单的结构，实现了复杂的功能，在该领域具有里程碑的意义。相关工作以“Artificial Multimodal Receptors Based on Ion Relaxation Dynamics”为题目发表在《Science》上。

图1多模态离子电子皮肤的结构及其对应力和温度的响应

2. Science: 高密度弹性电路的单片光学微光刻

聚合物电子材料使柔软且可拉伸的电子产品成为可能。然而，由于缺乏用于类皮肤和弹性电路的通用微/纳米制造方法，导致设备密度低，并且与硅基设备相比，并行信号记录和处理能力有限。近期，斯坦福大学鲍哲南团队提出了一种单片光学微光刻工艺，该工艺通过连续紫外光触发溶解度调制，直接对弹性电子材料进行图案化。研究人员制作了沟道长度为2 μm的晶体管，密度高达42000个晶体管/每平方厘米。基于该方法还构建了包含异或门和半加法器的弹性电路。该工艺为实现复杂、高密度、多层弹性电路的晶圆级制造提供了思路，且性能可与刚性电路相媲美。该研究成果以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”为题发表在《Science》上。

图2用于高密度弹性电路的单片光学微光刻

3. JACS: 固有可拉伸高性能聚合物半导体的设计策略

可拉伸和贴合电子设备最近在各种应用中取得了重大进展，例如可穿戴电子设备和生物医学设备。 目前，已经报道了几种实现可拉伸电子设备的方法，例如几何工程和使用本质可拉伸的电子材料。本质可拉伸的聚合物半导体由于其低成本、适合大面积印刷和高密度，在可拉伸电子设备中特别有前途设备制造。然而，同时保持电子特性和机械拉伸性的固有可拉伸材料的开发仍然是一个挑战。近日，美国斯坦福大学鲍哲南教授提出了一种设计本征可伸缩的高性能聚合物半导体的策略。在聚合物中用刚性共轭稠环取代前面描述的柔性共轭断裂连接基，它们仍然能够沿着聚合物主干保持共轭。此外，在稠环上引入体积较大的侧基来诱导无定形结构域的形成将潜在地有助于改善拉伸性。相关研究成果以“A Design Strategy for Intrinsically Stretchable High-Performance Polymer Semiconductors: Incorporating Conjugated Rigid Fused-Rings with Bulky Side Groups”为题，发表在最新一期的JACS上。

图3本征可伸缩的高性能聚合物半导体的设计策略

John A. Rogers教授近期研究进展

4. Nature Biotechnology: 无需导线或电池的完全植入式和生物可吸收心脏起搏器

植入式心脏起搏器是治疗缓慢性心律失常的基石。临时心脏起搏系统是传统心脏起搏器的补充，既可以作为永久起搏治疗的桥梁，也可以在心脏手术后临时使用以对应经常发生的心动过缓。然而，这种硬件存在严重的并发症风险。首先，细菌可以在设备上（如起搏电极）形成生物膜， 成为感染的焦点。其次，由于设备没有完全植入，外部电源和控制系统可能在照顾或移动病人时无意中发生移位。第三，由于起搏导线在电极-心肌界面处可能被纤维化组织包裹，因此治疗结束后取出装置可能会导致心肌撕裂和穿孔。近日，美国西北大学John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi K. Arora团队合作，报道了一种无铅、无电池，可完全植入的心脏起搏器，用于术后心率和节律的控制。更重要的是，该起搏器能够在规定的操作时间内通过自然生物过程完全降解并消失。该方法克服了传统临时起搏装置的主要缺点，可能为下一代术后临时起搏技术奠定基础。该研究以“Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries”为题发表在最新一期的《Nature Biotechnology》上。

图4生物可吸收心脏起搏器在小鼠和兔心脏以及人类心脏组织上的体外演示

5. Nature Materials: 光固化生物可吸收粘合剂作为柔性生物电子器件和软生物组织之间的功能界面

柔性的电子/光电系统可以紧密集成到人体重要器官的表面，可以提供与广泛疾病和障碍相关的革命性诊断和治疗能力。这些技术和活组织之间的关键接口必须提供软机械耦合和高效的光/电/化学交换。近日，John A. Rogers教授等研究团队开发了一种功能性粘合剂生物电子-组织界面材料，其形式为具有机械柔顺、导电和光学透明的封装涂层、界面层或支撑基质。该界面材料可与电子器件表面和不同内部器官表面牢固结合，并在几天到几个月的时间内稳定粘附；此外，其化学性质可以定制为以受控速率进行生物再吸收。活体动物模型的实验演示包括设备应用，从用于深脑光遗传学和皮下光疗的无电池光电系统到无线毫米级起搏器和灵活的多电极心外膜阵列。这些进展可立即适用于目前用于动物模型研究的几乎所有类型的生物电子/光电系统，并且它们也有可能在未来治疗人类危及生命的疾病和障碍。相关研究工作以题为“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”发表在最新一期的《Nature Materials》上。

图5用于连接生物电子器件与生物组织的软界面材料

6. Nature Electronics: 用于实时无线监测汗液流量、累积损失和温度的皮肤平台

实时监测汗液的流量、累积流失和温度，可以为诊断与热应激有关的体温调节性疾病提供有价值的生理数据。然而，获得具有高时间分辨率的数据，以实现准确、连续的监测仍然具有挑战性。近日，美国西北大学John A. Rogers教授研究团队报道了一种可以实时无线测量出汗率、出汗量和皮肤温度的电子器件。该方法结合了短而笔直的流体通道，以利用基于热致动器和精密热敏电阻的流量传感器捕获从皮肤中流出的汗液，该流量传感器与汗液物理隔离，但与汗液热耦合。该平台使用芯片上的蓝牙低功耗系统自主传输数据。这种方法还可以与先进的微流控系统和比色化学试剂相结合，以测量pH值以及汗液中氯、肌酐和葡萄糖的浓度。相关研究成果以“An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time”为题，发表在《Nature Electronics》上。

图6用于连续监测出汗率、出汗量和体温的皮肤接口无线系统

Tokao Someya教授近期研究进展

7. Nature Communication: 超柔性自供电光子皮肤实现人体生理信号监测

超柔性光学器件由于其对人体皮肤的出色贴合性，已广泛用于下一代可穿戴电子产品。长期健康监测还需要将超柔性光学设备与能量收集电源集成在一起；使设备自供电。然而，由于超柔性聚合物发光二极管的空气操作稳定性不足，超柔性光学传感器与电源的系统集成具有挑战性。近期，日本东京大学Takao Someya教授团队制备了倒置结构的超柔性聚合物发光二极管器件，并对器件的电子传输层进行掺杂，大大提升了器件的空气稳定性。并将发光二极管、有机太阳能电池和有机光电探测器集成，构筑了超柔性自供电有机光学系统，实现了对血管容积图（photoplethysmogram）的监测。相关研究成果以“Self-powered ultraflexible photonic skin for continuous bio-signal detection via air-operation-stable polymer light-emitting diodes”为题，发表在Nature Communication上。

图7超灵活、自供电的光电容积图传感器

8. Advanced Functional Materials: 电子皮肤——用于VR和AR的下一代设备平台

虚拟现实 (VR) 和增强现实 (AR) 正在利用设备和软件的进步克服现实生活的物理限制。特别是，最近 2019 年冠状病毒病 (COVID-19) 大流行对交通的限制使人们对这些虚拟体验更感兴趣。然而，为了尽量减少人工和自然感知之间的差异，需要更多的人机交互和类人设备。皮肤是人体最大的器官，是与环境相互作用的接口和感应部位。皮肤电子学的最新进展使皮肤能够用作功能设备的安装对象以及连接人类和计算机的信号通路，并在未来的 VR 和 AR 应用中发挥潜力。近期，日本东京大学Takao Someya教授团队发表了一篇相关综述，在这篇综述中，目前的皮肤电子设备被总结为未来 VR/AR 设备最有前途的设备解决方案之一，特别最新的材料和结构。在定义和解释 VR/AR 系统和组件之后，强调了 VR/AR 应用中皮肤电子产品的优势。回顾了电子皮肤设备的详细功能，包括输入、输出、能量设备和集成系统，以供未来的 VR/AR 应用程序使用。相关研究成果以“Skin Electronics: Next-Generation Device Platform for Virtual and Augmented Reality”为题，发表在Advanced Functional Materials上。

图8传统和皮肤电子 VR/AR 设备的示意图及其比较

9. Chemical Society Review: 基于天然生物聚合物的生物相容性导体

生物相容性导体是用于数字医疗的柔软和可拉伸生物电子学的重要组成部分，吸引了广泛的研究工作。与其他聚合物相比，天然生物聚合物具有独特的特性，使其成为生物相容性导体的焦点，例如良好的生物相容性/生物降解性、自然丰度、可持续性和能力，可以在良性条件下加工成具有可调材料特性的各种功能形式。近日，日本东京大学Takao Someya教授团队发表了基于天然生物聚合物的生物相容性导体在可拉伸生物电子学方面最新进展的综述。文章首先简要介绍了导电组分和天然聚合物，并总结了基于具有代表性的天然生物聚合物包括蛋白质（丝）、多肽（明胶）和多糖（海藻酸盐）的生物相容性导体的最新发展。在介绍了这些生物聚合物的化学结构和性质之后，概述了基于这些代表性生物聚合物的生物相容性导体的设计和制造策略。然后讨论了电子元件-生物聚合物界面和生物电子-生物组织（皮肤和内部组织）界面，重点介绍了用于软生物电子学的生物相容性导体的各种制造技术，并介绍了利用基于天然生物聚合物的生物相容性导体进行皮肤生物电子学的代表性例子、基于纺织品的可穿戴电子设备和用于数字医疗的可植入生物电子设备。最后，对设计用于软生物相容性导体和生物电子学的天然生物聚合物的挑战和前景提出了总结性的意见。相关研究成果以“Natural Biopolymer-Based Biocompatible Conductors for Stretchable Bioelectronics”为题发表在Chemical Society Review上。

图9基于天然生物聚合物（丝绸、明胶和藻酸盐）的生物相容性导体及其在数字医疗保健可拉伸生物电子学中的应用

参考文献：

1、https://doi.org/10.1126/science.aba5132

2、https://doi.org/10.1126/science.abh3551

3、https://doi.org/10.1021/jacs.1c04984

4、https://doi.org/10.1038/s41587-021-00948-x

5、https://doi.org/10.1038/s41563-021-01051-x

6、https://doi.org/10.1038/s41928-021-00556-2

7、https://doi.org/10.1038/s41467-021-22558-6

8、https://doi.org/10.1002/adfm.202009602

9、https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00897

本文由小艺供稿。

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