三位柔性電子大牛-鮑哲南教授、John A. Rogers教授、Takao Someya教授的近期研究進展

鮑哲南教授簡介

斯坦福大學鮑哲南教授是第一個在斯坦福當院長的華人女性，也是柔性電子領域的泰斗級人物。她關于“人造皮膚”的研究，取得了世人矚目的成果，被媒體稱為當今世界化學工程領域的“黑科技”。2015年，鮑哲南教授因“能傳導觸覺的人工皮膚”相關工作，入選Nature評選的十大年度人物；2016年，因在柔性電子器件的有機半導體材料領域的貢獻，當選美國工程院院士。2020年，鮑哲南教授成為“ACS Central Science Disruptors & Innovators Prize(顛覆者和創新者獎)”首位獲獎者。鮑哲南教授因“在導電聚合物分子設計及其應用領域所做的廣泛且具有顛覆性的研究，以及在人造電子皮膚和其他生物電子器件開發方面的突出進展”而獲獎。她在這一領域的工作包括可拉伸電路、柔性電池和醫用植入物與生物組織連接材料的開發。利用這些可拉伸電子材料可以構建與活體組織接合的器件，這種電子皮膚可應用于人體假肢和機器人。

John A. Rogers教授簡介

John A. Rogers 院士作為全球柔性電子技術研究的開創性領軍人物，其開創的柔性電子技術研究開啟了傳統硬質無機電子技術產業從“硬”到“柔”的跨越，對于推動柔性電子技術成為融合數字、物理和生物世界的變革性力量，改變未來世界生活形態的可能性都具有非凡的意義。Rogers 教授于1995年在麻省理工學院(MIT)獲得了物理化學博士學位，之后曾在Bell實驗室擔任凝聚態物理研究組組長。從2003年開始，Rogers教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任化學工程系教授至今。從2016年9月份開始，擔任西北大學生物集成電子中心的教授兼主任。同時Rogers教授也是美國國家工程院院士（NAE; 2011），美國藝術與科學學院院士（AAAS; 2014），美國國家科學院院士（NAS；2015）。Rogers教授的研究包括納米和分子規模材料的基礎、制造和應用，以及特殊電子和光子器件的圖形化技術，其重點是生物集成和仿生系統。其中，他的研究團隊著重于理解并且以色帶、導線、薄膜、管或其它相關的形式，開拓對柔性材料例如聚合物、液晶、生物組織以及它們與特殊微納米材料的復合物的有趣特性的利用。這些工作結合了多學科的基礎研究與前瞻性的工程，用于生物和生物集成技術、適形電子、納米光子結構、微流器件、微機電系統等所有前沿技術的柔性材料。

Tokao Someya教授簡介

Takao Someya教授于1997年在東京大學獲得了電子工程系博士學位。2001至2003年間，他曾在哥倫比亞大學的納米中心（NSEC），Bell實驗室和朗訊科技公司擔任訪問學者。自2009年開始，他分別擔任東京大學電氣與電子工程系教授和普林斯頓大學的全球學者。此外，自2011年3月開始，他擔任了NEDO/JAPERA項目的項目負責人和JST/ERATO項目的研究主任。Takao Someya教授的研究包括有機晶體管，柔性電子，塑料集成電路，大面積傳感器和塑料執行器。目前，其團隊主要關注的研究主題是有機器件的生物醫學應用。通過利用有機器件的柔軟性和有機分子的獨特功能，將生物體與電子設備協調、融合，并開發出生物有機設備。特別是其團隊已經成功開發出世界上最輕、最薄的柔性集成電路，發光器件和有機太陽能電池，并在可穿戴電子產品中實現應用。

鮑哲南教授近期研究進展

1. Science: 對溫度和應力同時響應的柔性傳感器

柔性電子皮膚發展自今，已經可以實現如同人類皮膚一樣感知應力和溫度的變化。但是這一類電子皮膚需要通過微納加工集成上不同的傳感器，因此結構十分復雜。近期，斯坦福大學鮑哲南團隊和浦項科技大學Unyong Jeong利用離子弛豫動力學原理，以簡單的雙電極電容的結構，制作出可以實現對溫度和應力同時響應的柔性傳感器。將這種傳感器做成10×10的陣列，即可實現像人類皮膚一樣具有溫感和觸感的電子皮膚。這種電子皮膚以最簡單的結構，實現了復雜的功能，在該領域具有里程碑的意義。相關工作以“Artificial Multimodal Receptors Based on Ion Relaxation Dynamics”為題目發表在《Science》上。

圖1多模態離子電子皮膚的結構及其對應力和溫度的響應

2. Science: 高密度彈性電路的單片光學微光刻

聚合物電子材料使柔軟且可拉伸的電子產品成為可能。然而，由于缺乏用于類皮膚和彈性電路的通用微/納米制造方法，導致設備密度低，并且與硅基設備相比，并行信號記錄和處理能力有限。近期，斯坦福大學鮑哲南團隊提出了一種單片光學微光刻工藝，該工藝通過連續紫外光觸發溶解度調制，直接對彈性電子材料進行圖案化。研究人員制作了溝道長度為2 μm的晶體管，密度高達42000個晶體管/每平方厘米。基于該方法還構建了包含異或門和半加法器的彈性電路。該工藝為實現復雜、高密度、多層彈性電路的晶圓級制造提供了思路，且性能可與剛性電路相媲美。該研究成果以“Monolithic optical microlithography of high-density elastic circuits”為題發表在《Science》上。

圖2用于高密度彈性電路的單片光學微光刻

3. JACS: 固有可拉伸高性能聚合物半導體的設計策略

可拉伸和貼合電子設備最近在各種應用中取得了重大進展，例如可穿戴電子設備和生物醫學設備。 目前，已經報道了幾種實現可拉伸電子設備的方法，例如幾何工程和使用本質可拉伸的電子材料。本質可拉伸的聚合物半導體由于其低成本、適合大面積印刷和高密度，在可拉伸電子設備中特別有前途設備制造。然而，同時保持電子特性和機械拉伸性的固有可拉伸材料的開發仍然是一個挑戰。近日，美國斯坦福大學鮑哲南教授提出了一種設計本征可伸縮的高性能聚合物半導體的策略。在聚合物中用剛性共軛稠環取代前面描述的柔性共軛斷裂連接基，它們仍然能夠沿著聚合物主干保持共軛。此外，在稠環上引入體積較大的側基來誘導無定形結構域的形成將潛在地有助于改善拉伸性。相關研究成果以“A Design Strategy for Intrinsically Stretchable High-Performance Polymer Semiconductors: Incorporating Conjugated Rigid Fused-Rings with Bulky Side Groups”為題，發表在最新一期的JACS上。

圖3本征可伸縮的高性能聚合物半導體的設計策略

John A. Rogers教授近期研究進展

4. Nature Biotechnology: 無需導線或電池的完全植入式和生物可吸收心臟起搏器

植入式心臟起搏器是治療緩慢性心律失常的基石。臨時心臟起搏系統是傳統心臟起搏器的補充，既可以作為永久起搏治療的橋梁，也可以在心臟手術后臨時使用以對應經常發生的心動過緩。然而，這種硬件存在嚴重的并發癥風險。首先，細菌可以在設備上（如起搏電極）形成生物膜， 成為感染的焦點。其次，由于設備沒有完全植入，外部電源和控制系統可能在照顧或移動病人時無意中發生移位。第三，由于起搏導線在電極-心肌界面處可能被纖維化組織包裹，因此治療結束后取出裝置可能會導致心肌撕裂和穿孔。近日，美國西北大學John A. Rogers、Igor R. Efimov和Rishi K. Arora團隊合作，報道了一種無鉛、無電池，可完全植入的心臟起搏器，用于術后心率和節律的控制。更重要的是，該起搏器能夠在規定的操作時間內通過自然生物過程完全降解并消失。該方法克服了傳統臨時起搏裝置的主要缺點，可能為下一代術后臨時起搏技術奠定基礎。該研究以“Fully implantable and bioresorbable cardiac pacemakers without leads or batteries”為題發表在最新一期的《Nature Biotechnology》上。

圖4生物可吸收心臟起搏器在小鼠和兔心臟以及人類心臟組織上的體外演示

5. Nature Materials: 光固化生物可吸收粘合劑作為柔性生物電子器件和軟生物組織之間的功能界面

柔性的電子/光電系統可以緊密集成到人體重要器官的表面，可以提供與廣泛疾病和障礙相關的革命性診斷和治療能力。這些技術和活組織之間的關鍵接口必須提供軟機械耦合和高效的光/電/化學交換。近日，John A. Rogers教授等研究團隊開發了一種功能性粘合劑生物電子-組織界面材料，其形式為具有機械柔順、導電和光學透明的封裝涂層、界面層或支撐基質。該界面材料可與電子器件表面和不同內部器官表面牢固結合，并在幾天到幾個月的時間內穩定粘附；此外，其化學性質可以定制為以受控速率進行生物再吸收。活體動物模型的實驗演示包括設備應用，從用于深腦光遺傳學和皮下光療的無電池光電系統到無線毫米級起搏器和靈活的多電極心外膜陣列。這些進展可立即適用于目前用于動物模型研究的幾乎所有類型的生物電子/光電系統，并且它們也有可能在未來治療人類危及生命的疾病和障礙。相關研究工作以題為“Photocurable bioresorbable adhesives as functional interfaces between flexible bioelectronic devices and soft biological tissues”發表在最新一期的《Nature Materials》上。

圖5用于連接生物電子器件與生物組織的軟界面材料

6. Nature Electronics: 用于實時無線監測汗液流量、累積損失和溫度的皮膚平臺

實時監測汗液的流量、累積流失和溫度，可以為診斷與熱應激有關的體溫調節性疾病提供有價值的生理數據。然而，獲得具有高時間分辨率的數據，以實現準確、連續的監測仍然具有挑戰性。近日，美國西北大學John A. Rogers教授研究團隊報道了一種可以實時無線測量出汗率、出汗量和皮膚溫度的電子器件。該方法結合了短而筆直的流體通道，以利用基于熱致動器和精密熱敏電阻的流量傳感器捕獲從皮膚中流出的汗液，該流量傳感器與汗液物理隔離，但與汗液熱耦合。該平臺使用芯片上的藍牙低功耗系統自主傳輸數據。這種方法還可以與先進的微流控系統和比色化學試劑相結合，以測量pH值以及汗液中氯、肌酐和葡萄糖的濃度。相關研究成果以“An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time”為題，發表在《Nature Electronics》上。

圖6用于連續監測出汗率、出汗量和體溫的皮膚接口無線系統

Tokao Someya教授近期研究進展

7. Nature Communication: 超柔性自供電光子皮膚實現人體生理信號監測

超柔性光學器件由于其對人體皮膚的出色貼合性，已廣泛用于下一代可穿戴電子產品。長期健康監測還需要將超柔性光學設備與能量收集電源集成在一起；使設備自供電。然而，由于超柔性聚合物發光二極管的空氣操作穩定性不足，超柔性光學傳感器與電源的系統集成具有挑戰性。近期，日本東京大學Takao Someya教授團隊制備了倒置結構的超柔性聚合物發光二極管器件，并對器件的電子傳輸層進行摻雜，大大提升了器件的空氣穩定性。并將發光二極管、有機太陽能電池和有機光電探測器集成，構筑了超柔性自供電有機光學系統，實現了對血管容積圖（photoplethysmogram）的監測。相關研究成果以“Self-powered ultraflexible photonic skin for continuous bio-signal detection via air-operation-stable polymer light-emitting diodes”為題，發表在Nature Communication上。

圖7超靈活、自供電的光電容積圖傳感器

8. Advanced Functional Materials: 電子皮膚——用于VR和AR的下一代設備平臺

虛擬現實 (VR) 和增強現實 (AR) 正在利用設備和軟件的進步克服現實生活的物理限制。特別是，最近 2019 年冠狀病毒病 (COVID-19) 大流行對交通的限制使人們對這些虛擬體驗更感興趣。然而，為了盡量減少人工和自然感知之間的差異，需要更多的人機交互和類人設備。皮膚是人體最大的器官，是與環境相互作用的接口和感應部位。皮膚電子學的最新進展使皮膚能夠用作功能設備的安裝對象以及連接人類和計算機的信號通路，并在未來的 VR 和 AR 應用中發揮潛力。近期，日本東京大學Takao Someya教授團隊發表了一篇相關綜述，在這篇綜述中，目前的皮膚電子設備被總結為未來 VR/AR 設備最有前途的設備解決方案之一，特別最新的材料和結構。在定義和解釋 VR/AR 系統和組件之后，強調了 VR/AR 應用中皮膚電子產品的優勢。回顧了電子皮膚設備的詳細功能，包括輸入、輸出、能量設備和集成系統，以供未來的 VR/AR 應用程序使用。相關研究成果以“Skin Electronics: Next-Generation Device Platform for Virtual and Augmented Reality”為題，發表在Advanced Functional Materials上。

圖8傳統和皮膚電子 VR/AR 設備的示意圖及其比較

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

生物相容性導體是用于數字醫療的柔軟和可拉伸生物電子學的重要組成部分，吸引了廣泛的研究工作。與其他聚合物相比，天然生物聚合物具有獨特的特性，使其成為生物相容性導體的焦點，例如良好的生物相容性/生物降解性、自然豐度、可持續性和能力，可以在良性條件下加工成具有可調材料特性的各種功能形式。近日，日本東京大學Takao Someya教授團隊發表了基于天然生物聚合物的生物相容性導體在可拉伸生物電子學方面最新進展的綜述。文章首先簡要介紹了導電組分和天然聚合物，并總結了基于具有代表性的天然生物聚合物包括蛋白質（絲）、多肽（明膠）和多糖（海藻酸鹽）的生物相容性導體的最新發展。在介紹了這些生物聚合物的化學結構和性質之后，概述了基于這些代表性生物聚合物的生物相容性導體的設計和制造策略。然后討論了電子元件-生物聚合物界面和生物電子-生物組織（皮膚和內部組織）界面，重點介紹了用于軟生物電子學的生物相容性導體的各種制造技術，并介紹了利用基于天然生物聚合物的生物相容性導體進行皮膚生物電子學的代表性例子、基于紡織品的可穿戴電子設備和用于數字醫療的可植入生物電子設備。最后，對設計用于軟生物相容性導體和生物電子學的天然生物聚合物的挑戰和前景提出了總結性的意見。相關研究成果以“Natural Biopolymer-Based Biocompatible Conductors for Stretchable Bioelectronics”為題發表在Chemical Society Review上。

圖9基于天然生物聚合物（絲綢、明膠和藻酸鹽）的生物相容性導體及其在數字醫療保健可拉伸生物電子學中的應用

參考文獻：

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

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