超燃！2020年柔性電子領域發表9篇Nature、Science

柔性電子（Flexible Electronics）是一種技術的通稱，是將有機/無機材料電子器件制作在柔性/可延性基板上的新興電子技術。相對于傳統電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。柔性電子涵蓋有機電子、塑料電子、生物電子、納米電子、印刷電子等，包括RFID、柔性顯示、有機電致發光(OLED)顯示與照明、化學與生物傳感器、柔性光伏、柔性邏輯與存儲、柔性電池、可穿戴設備等多種應用。隨著其快速的發展，涉及到的領域也進一步擴展，目前已經成為交叉學科中的研究熱點之一。

下面匯總了2020年柔性電子領域發表的8篇Nature、Science文章，供大家學習參考。

Science：納米網格壓力傳感器在不干預感知能力的情況下監控手指操作

監測手指觸覺而不干擾固有功能是自然觸覺的關鍵。然而，佩戴或附著的傳感器會影響皮膚的自然感覺。日本東京大學Takao Someya團隊開發了納米網格壓力傳感器，該傳感器由多層導電和電介質納米網狀結構組成，可以在制造過程中直接層壓在人體皮膚上。可以監測手指壓力，而不會對人體感覺產生明顯影響。定量研究了傳感器對人體感覺的影響，應用傳感器的手指顯示出與裸手指相當的握力，即使附著一個2微米厚的聚合物薄膜，結果在調整摩擦后，抓地力增加了14%。與此同時, 該傳感器對周期性剪切和摩擦表現出了極強的機械耐久性。相關研究以“Nanomesh pressure sensor for monitoring finger?manipulation without sensory interference”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.abc9735

圖1納米網格壓力傳感器的結構

Science：可拉伸的分布式光纖傳感器

硅基分布式光纖傳感器(DFOS)系統已經成為一種強大的工具，用于傳感不可擴展結構中的應變、壓力、振動、加速度、溫度和濕度。然而，DFOS系統與與軟機器人和可拉伸電子產品相關的大應變不兼容。康奈爾大學Hedan Bai，ShuoLi和Robert F. Shepherd教授團隊開發了一種由彈性體光導的平行組件組成的傳感器，其中包含連續或離散的彩色圖案。通過利用完全內部反射和吸收的組合，可拉伸DFOSs可以區分和測量位置、震級和模式(拉伸、彎曲或擠壓)的機械變形。研究進一步演示了多位置解耦和多模態變形解耦，通過一種可拉伸的DFOS集成無線手套，該手套可以同時配置所有類型的手指關節運動和外部按壓，而只需要一個實時傳感器。相關研究以“Stretchable distributed fiber-optic sensors”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aba5504

圖2?纖薄一體化手套和多關節彎曲生理感受

Science：用于探測微弱可見光的大面積低噪聲柔性有機光電二極管

硅光電二極管是光探測技術的基礎。然而，它們的剛性結構和低成本的區域擴展限制了它們在一些新興應用中的應用。喬治亞理工學院Canek Fuentes-Hernandez、Bernard Kippelen教授等人報道了一種詳細的方法表征基于聚合物體異質結的有機光電二極管，揭示了電荷收集電極對低頻電子噪聲的影響。在可見光譜范圍內，優化后的有機光電二極管在所有指標上都可以與低噪聲硅光電二極管相媲美，除了響應時間(仍然與視頻速率兼容)。溶液型有機光敏二極管可以提供生物特征監測應用，如使用具有硅級性能的環形、大面積、靈活的有機光電二極管。相關研究以“Large-area low-noise flexible organic photodiodes for?detecting faint visible light”為題目，發表在Science上 。DOI: 10.1126/science.aba2624

圖3?Flex-OPDs及其在PPG中的應用

Science：陰離子和陽離子聚合物網絡之間的離子彈性體連接

軟離子導體已使可拉伸且透明的設備成為可能，但是此類設備中的液體往往會泄漏和蒸發。在這項研究中，美國馬薩諸塞大學Ryan C. Hayward教授和哈佛大學?Zhigang Suo教授演示了使用無液體離子彈性體的二極管和晶體管，其中陰離子或陽離子固定在彈性體網絡上，其他離子種類可移動。極性相反的兩種離子彈性體的連接產生離子雙層，該雙層能夠在不發生電化學反應的情況下整流和切換離子電流。熵驅使可移動離子耗盡，從而形成結實的結合點，結合點的可拉伸性使機電轉換成為可能。可變形離子結的機械-電響應為實現刺激響應和可調諧整流提供了一條很有前途的道路。相關研究以“Ionoelastomer junctions between polymer networks?of fixed anions and cations”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay8467

圖4?在兩個帶相反電荷的離子彈性體的界面上形成IDL

Science：基于離子弛豫動力學的人工多模式受體

人類皮膚有不同類型的觸覺感受器，可以區分不同的機械刺激和溫度。近日，韓國浦項科技大學Unyong Jeong教授與美國斯坦福大學教授鮑哲南提出了一種可變形的人工多模態離子受體，可以區分熱和機械信息而不受信號干擾。通過對離子弛豫動力學的分析，導出了兩個變量:電荷弛豫時間作為測量絕對溫度的不敏感內因變量和歸一化電容作為測量應變的不敏感外因變量。該人工感受器具有簡單的電極-電解質-電極結構，通過在兩個測量頻率下測量變量，同時檢測溫度和應變。類似人體皮膚的多模態受體陣列，稱為多模態離子電子皮膚(IE^M-skin)，提供各種觸覺運動(剪切、擠壓、伸展、扭轉等)中的實時力方向和應變剖面。相關研究以“Artificial multimodal receptors based on ion?relaxation dynamics”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aba5132

圖5?IE^M-skin結構及其對單向剪力的響應

Science:功能材料在活細胞、組織和動物中的基因定向化學組裝

多細胞生物系統(如大腦)的結構和功能復雜性超出了人類的設計和組裝能力。活體組織中的細胞可以被用來構建合成材料或結構，如果按照解剖學上的定義來處理特定化學，利用生物學來組裝復雜的功能結構。通過整合工程酶靶向和聚合物化學，斯坦福大學鮑哲南教授、Karl Deisseroth教授等人從基因上指示特定的活神經元來指導在質膜上的電功能(導電或絕緣)聚合物的化學合成。電生理和行為分析證實，合理設計、基因定向組裝的功能聚合物不僅保留了神經活性，而且實現了膜性質的重塑，調節了自由移動動物的細胞類型特異性行為。這種方法可以在生命系統中創造出多樣、復雜和有功能的結構和材料。相關研究以“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”為題目，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay4866

圖6?細胞內功能材料的基因靶向化學組裝

Nature：利用蛋白質納米線從潮濕環境中發電

從環境中收集能量為自持系統提供了清潔能源的希望，諸如太陽能電池、熱電設備和機械發電機之類的已知技術具有特定的環境要求，這些要求限制了它們的部署位置，并限制了其連續發電的潛力。大氣濕度無處不在提供了另一種選擇，但是，由于缺乏持續的轉換機制，現有的基于水分的能量收集技術只能在周圍環境中產生間歇性的，短暫的（短于50秒的）能量爆發。美國麻省理工學院的Derek R. Lovley教授?和Jun Yao教授等人證明了由從硫還原微生物中獲得的納米級蛋白質線制成的薄膜設備可以在環境中產生連續的電力。這些器件在7um厚的薄膜上產生約0.5V的持續電壓，電流密度約為每平方厘米17mA。研究發現，這種能量產生的驅動力是當薄膜暴露于空氣中自然存在的濕氣時在薄膜內形成的自我維持的水分梯度，線性連接多個設備會按比例放大電壓和電流，以連接電子設備。結果表明，與其他可持續方法相比，連續性能源收集策略的可行性受到位置或環境條件的限制較小。相關研究以“Power generation from ambient humidity using protein nanowires ”為題，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9

圖7?納米線設備和電力輸出示意圖

Nature：具有半球形鈣鈦礦納米線陣列視網膜的仿生眼

人眼具有特殊的圖像感知特性，如極寬的視場、高分辨率和低像差的靈敏度。具有這樣特征的仿生眼睛是非常可取的，特別是在機器人和視覺假肢領域。然而，生物眼的球形和視網膜對仿生器件的制造構成了巨大的挑戰。這里香港科技大學范智勇教授團隊展示了一只電化學眼睛，它有一個由高密度納米線陣列組成的半球形視網膜，模仿人類視網膜上的光感受器。該設備的設計與人眼的結構高度相似，當單個納米線被電化學感應處理時，有可能實現高成像分辨率。此外，通過重建投射到器件上的光學圖形來演示了仿生器件的圖像傳感功能。這項工作可能導致仿生光敏器件在廣泛的技術應用中找到用途。相關研究以“A biomimetic eye with a hemispherical?perovskite nanowire array retina”為題目，發表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-020-2285-x

圖8?EC-EYE的結構

Nature：超靈敏、高彈性的應變傳感器

對于以人為中心的設備和系統來說，軟機器是一個很有前途的設計范例。為了使軟機器能夠智能地響應周圍環境，需要順應的感覺反饋機制。具體地說，應變計的軟替代品，即在低應變（不到5%）下具有高分辨率，有望釋放軟系統中有前途的新功能。然而，目前可用的傳感機制通常要么具有高應變敏感性，要么具有高機械彈性，而非兩者兼具。彈性和順應性超靈敏傳感機制的缺乏嚴重限制了其在實驗室環境下的運行，并阻礙了它們的商業化。美國哈佛大學 Robert J. Wood、Oluwaseun A. Araromi教授等人基于各向異性電阻結構(SCAR)中應變介導的接觸，提出了一種具有高機械彈性的高靈敏度應變檢測的通用且柔性的傳感機制。該機制依賴于由可拉伸薄膜封裝的剛性、微結構、各向異性導電曲流之間歐姆接觸的變化。該機構實現了高靈敏度，測量系數大于85000，同時適用于高強度導體，從而產生抗惡劣加載條件的傳感器。傳感機構也表現出高線性度，以及對彎曲和扭轉變形不敏感，這些特性對于軟器件的應用是重要的。為了演示技術的潛在影響，構建了一個集成傳感器的、輕量級的、基于紡織品的臂套，它可以識別手勢而不妨礙手。通過檢測手臂上的小肌肉運動，演示了離散手勢和連續手部運動的預測跟蹤和分類。研究展示了SCARS技術在開發可穿戴的生物力學反饋系統和人機界面方面的潛力。相關研究以“Ultra-sensitive and resilient compliant strain?gauges for soft machines”為題目，發表在Nature上。DOI:?10.1038/s41586-020-2892-6

圖9?基于紡織品的傳感器集成套筒的手部運動檢測演示

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