梳理：全球柔性可穿戴電子研究團隊及其研究進展

柔性可穿戴電子，顧名思義，泛指具備機械柔性并且能夠直接或間接與皮膚緊密貼合的電子裝置或設備。可穿戴電子可能是一組各種功能性設備，如顯示器，傳感器，電池等，它們在人體表面或人體內工作。

美國《科學》雜志將柔性電子技術列為2000年世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術等重大發現并列。2000年，美國科學家艾倫黑格、艾倫·馬克迪爾米德和日本科學家白川英樹由于他們在導電聚合物領域的開創性工作獲得2000年諾貝爾化學獎。

柔性可穿戴電子具有較大的機械靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足人體對于設備的形變要求；但是相應的技術要求同樣制約了柔性電子的發展。首先，柔性電子在不損壞本身電子性能的基礎上的伸展性和彎曲性，對電路的制作材料提出了新的挑戰和要求；其次，柔性電子的制備條件以及組成電路的各種電子器件的性能，相對于傳統的電子器件來說也是其發展的一大難題。

目前，柔性可穿戴電子的研究應用體現在人類生活的很多方面，如電子皮膚、可穿戴生理監測治療裝置、柔性導電織物、薄膜晶體管和透明薄膜柔性門電路等。柔性電子的研究已經從起步階段邁入實質性發展階段，國內外對于柔性電子行業的研究熱度一直居高不下。本文結合部分國內外知名柔性電子研究團隊的簡單介紹，對柔性電子行業的發展情況與熱點方向進行闡述。

1.王中林

王中林于1987年獲得亞利桑那州立大學博士學位。他是喬治亞理工學院材料科學與工程及董事會教授的Hightower主席、國際頂尖納米科學家、能源技術專家，中國科學院外籍院士，歐洲科學院院士，佐治亞理工學院終身教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長，中國科學院大學納米科學與技術學院院長。

王中林在國際一流刊物上發表了1100篇期刊論文，150項專利，5本專著和20余本編輯書籍和會議文集。已被邀請做過900多次學術講演和大會特邀報告。發表論文已被引用173000次以上，H因子146。他是世界上在材料和納米技術論文引用次數最多的前五位作者之一。

王中林團隊的主要研究工作主要集中在以下幾個方向：第一，納米能源技術和自驅動納系統技術。納米發電機的原理是利用壓電效應所產生的電場來驅動外電路電子的瞬時流動。第二，王中林基于納米級壓電和半導體性能的巧妙耦合提出了納米壓電電子學 (nanopiezotronics)的概念，即利用壓電效應所產生的電場來調制和控制載流子運動的原理來制造新型的器件，首次制造出壓電場效應三級管，壓電二極管，壓電調控的邏輯運算電路。第三，氧化鋅納米材料的合成，表征，生長機理和應用。

近年來，王中林團隊結合自身對于自驅動電子系統的技術優勢，將其與柔性可穿戴設備的需求結合，開發了一系列可以進行自驅動的多功能柔性可穿戴設備。

圖1展示了一種用于制造紡織品平面微型超級電容器的簡單而新穎的方法¹，并且可能將其并入到服裝中。值得注意的是，這里展示的器件具有出色的機械耐用性和電化學穩定性，即使在嚴重的彎曲和扭曲條件下也是如此。

圖1 基于紡織品的微型超級電容器（MSC）的制造

圖2展示了由機械柔性和可伸展的傳感器網絡組成的電子皮膚²，可以通過各種感覺檢測，量化各種刺激以模擬人體感覺系統，具有觸覺，熱/冷和皮膚疼痛的感覺受體和神經通路。這個系統在類人機器人，新的假肢，人機界面和健康監測技術方面有著更廣泛的應用。

圖2?皮膚啟發高伸縮性和舒適矩陣網絡。

2.鮑哲楠

鮑哲楠教授是斯坦福大學化學工程系教授。在2004年加入斯坦福大學之前，她曾在1995年至2004年期間擔任貝爾實驗室的技術人員，朗訊科技的杰出成員。她擁有超過400份的參考出版物和60多項美國專利，Google學術搜索H指數110以上。鮑哲楠是美國國家工程院院士。她是MRS，ACS，AAAS，SPIE，ACS PMSE和ACS POLY的會員。她曾在2003-2005年擔任MRS董事會成員，并擔任美國化學學會高分子材料科學與工程部執行委員會成員。

鮑哲楠開創了有機電子材料的一些設計概念。她的工作使柔性電子電路和顯示器成為可能。在她最近的工作中，她開發了皮膚啟發的有機電子材料，在醫療設備，能源存儲和環境應用中實現了前所未有的性能或功能。

圖3介紹了一種制造工藝，可以從各種拉伸電子聚合物中獲得高產量和均勻性的電子系統。展示了一種可伸縮的聚合物晶體管陣列，每平方厘米具有前所未有的347個晶體管器件密度。晶體管的平均電荷載流子遷移率與非晶硅相當。這種工藝為其他可拉伸聚合物材料提供了一個通用平臺，可用于制造下一代可拉伸皮膚電子設備³。

圖3 高密度柔性晶體管陣列

3.John A. Rogers

約翰·羅杰斯教授于1989年獲得德克薩斯大學奧斯汀分校化學和物理學學士學位和理學學士學位。在材料科學與工程系獲得主要任命，在化學，生物工程，機械科學與工程，電子和計算機工程系共同任命。他目前是賽茲材料研究實驗室的主任。從2016年9月開始，羅杰斯教授除了領導新的生物集成電子中心外，還將擔任路易斯辛普森和金伯利奎里生物醫學工程和醫學材料科學與工程教授。

羅杰斯的研究旨在了解和利用“軟”材料的有趣特性，如聚合物，液晶和生物組織，以及它們與不同尋常類別的微/納米材料的混合組合，其形式為帶狀，線狀，膜狀，管或相關。目標是控制和誘導這些材料中的新型電子和光子響應;并開發新的“軟平版印刷”和仿生方法來對它們進行圖案化并指導它們的生長。目前的研究主要集中在適形電子學，納米光子結構，微流體器件和微機電系統等軟材料。

圖4展示了一種能夠精確，連續測量生理健康的薄而柔軟的皮膚狀傳感器⁴。該傳感器可用于整個身體的溫度和壓力傳感，無電池設備設計，無線供電。已經在臨床睡眠實驗室和可調式醫院病床上進行了人體研究，具備了包括監測晝夜循環和減輕壓力誘發的皮膚潰瘍的風險。

圖4 用于全身監測的無線，無電池表皮傳感器的概念

4.陳立東

陳立東，1981年畢業于湖南大學，1984年10月赴日本留學，1990年4月獲日本東北大學獲工學博士學位。先后在日本RIKEN株式會社（Chief Engineer）、日本航空宇宙技術研究所（特別研究員）、美國密西根大學物理系（訪問學者）、日本東北大學金屬材料研究所（助手，副教授）任職和工作。2001年獲中國科學院海外杰出人才引進計劃（百人計劃）資助進入上海硅酸鹽研究所工作，2003年獲國家杰出青年基金資助，2004年獲得上海市優秀留學回國人才獎和中國科學院百人計劃終期評估優秀。現任中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員、高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室主任，國際熱電學會理事會理事，亞洲熱電聯盟主席。

目前通常使用的柔性半導體材料（碳納米管、有機材料、石墨烯、MoS2等）難以同時滿足力學延展性、高載流子遷移率以及合適的能帶結構。陳立東團隊報道了一種在室溫條件具有類似金屬的優異延展性的無機半導體材料⁵。這項工作開辟了尋找韌性無機半導體/陶瓷用于柔性電子器件的可能性（圖5）。

圖5 柔性半導體α-Ag₂S的室溫下機械性能

5.陳曉東

陳曉東現任新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院副院長（教職），榮獲南洋理工大學南洋研究獎，陳曉東，新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院副教授。主要從事可程序化材料在能源的轉化、柔性電子器件、以及納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等國際知名學術刊物發表SCI 論文近170余篇，他引超過5000次。

陳曉東課題組的工作主要集中于發展可程序化材料以及探索它們在能源的轉化、柔性電子器件、以及納米生物界面等方面的工作，并且嘗試將材料，器件與生物醫學應用相結合，發展出在生物醫學領域更先進、更具實用價值的新型器件。

近年來，陳曉東團隊除對柔性電子領域常見的聚合物進行深入研究以外，積極開發天然材料在柔性電子領域的應用，已經成功將純天然的絲素蛋白作為柔性襯底實現了簡單的柔性電子器件功能⁶（圖6）。這一系列工作為天然的生物相容性和生物可降解性的材料應用到柔性可穿戴設備提供了可能性。

圖6 用于皮膚上電子應用的增塑絲蛋白

?隨著全球信息化的加速，人與信息的有機融合是未來的發展趨勢，電子元器件的柔性化一旦實現，將從本質上促進人與信息的高效交流。目前，柔性可穿戴電路在生物醫療領域發展最為迅速。各種體外診斷、植入式外科手術將會成為未來醫療領域的重要輔助乃至主要手段。另外，在通信娛樂及運動領域，柔性可穿戴電子將會向穿戴便捷、外型時尚和功能全面等方向前進。在工程領域，柔性電子器件的發展也將會向精密度更高、可靠性更強和敏感度更高的方向發展。

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).

本文由材料人專欄科技顧問張淇供稿。