柔性電子器件重要進(jìn)展

近年來，柔性電子器件在人體健康檢測、分析以及可穿戴設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。然而，在柔性電子器件的組裝中，用于連接不同模塊的商用導(dǎo)電膠容易變形、斷裂，使得接口不穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域內(nèi)長期存在的難題，嚴(yán)重阻礙了整個器件的拉伸性和信號質(zhì)量。

基于此，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、新加坡南洋理工大學(xué)及美國斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家們另辟蹊徑，他們繞開了用“商業(yè)膠水”組裝柔性電子器件的思路，開發(fā)了一種基于雙連續(xù)納米分散網(wǎng)絡(luò)的BIND界面（biphasic, nano-dispersed interface, BIND），這種新型界面能夠作為柔性電子器件通常所包含的柔性模塊、剛性模塊以及封裝模塊的通用接口，只需要按壓10秒鐘，就可以實現(xiàn)“樂高式”的高效穩(wěn)定組裝。相關(guān)成果于近日發(fā)表在國際頂級期刊Nature上。深圳先進(jìn)院研究員劉志遠(yuǎn)南洋理工大學(xué)教授陳曉東、斯坦福大學(xué)教授鮑哲南為論文共同通訊作者，南洋理工大學(xué)博士姜穎為第一作者。

人機(jī)接口是人與電子設(shè)備之間進(jìn)行的數(shù)字虛擬世界和現(xiàn)實物理世界的信息交換，而柔性電子器件則是人機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵核心和先導(dǎo)基礎(chǔ)。近年來，柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究十分火熱，它大致可以分為植入式和體表式兩種，主要功能就是采集應(yīng)力信號、溫度信號、生理電信號、超聲信號、生物化學(xué)信號等生理數(shù)據(jù)，以監(jiān)測人體健康狀態(tài)。不過，商用導(dǎo)電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩(wěn)定性，無論單個模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，那么整個器件的拉伸性就會受到制約。

可拉伸混合設(shè)備的BIND連接

聯(lián)合團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，在特定的制備條件下，基于SEBS嵌段聚合物和黃金納米顆粒的柔性界面，即BIND界面，面對面貼合時有“魔術(shù)貼”式的電氣與機(jī)械雙重黏合特性，能夠?qū)⒉煌δ艿娜嵝?a target="_blank">傳感器穩(wěn)定地黏合在一起，從而實現(xiàn)柔性模塊與柔性模塊之間的高效連接。通過熱蒸發(fā)金(Au)或銀(Ag)納米顆粒制備BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)熱塑性彈性體內(nèi)部形成互穿納米結(jié)構(gòu)，SEBS是一種廣泛應(yīng)用于可拉伸電子產(chǎn)品的軟基板。SEBS基質(zhì)表面附近的納米顆粒形成了一個雙相層(大約90納米深)，其中一些納米顆粒完全浸入其中，而另一些納米顆粒部分暴露在外。這種界面結(jié)構(gòu)在表面產(chǎn)生了暴露的SEBS和Au，在基體內(nèi)部產(chǎn)生了互穿的Au納米顆粒，這為堅固的BIND連接提供了連續(xù)的機(jī)械和電氣途徑。總之，這種即插即用的接口可以簡化和加速皮膚上和可植入的可拉伸設(shè)備的開發(fā)。實驗表明，采用新型接口的柔性醫(yī)療器件能高精度、高保真、抗干擾地監(jiān)測體內(nèi)外不同器官，包括表皮、腦皮層、坐骨神經(jīng)、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用導(dǎo)電膠組裝的系統(tǒng)信號質(zhì)量大幅度提升。

研究團(tuán)隊所開發(fā)的“魔術(shù)貼”式柔性組裝方法與在肌電監(jiān)測中的應(yīng)用實例

據(jù)介紹，采用BIND界面的柔性模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率可達(dá)180%，機(jī)械拉伸率可達(dá)600%，遠(yuǎn)高于采用商用導(dǎo)電膠連接的普通接口（分別為45%、60%）；對于硬質(zhì)模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率達(dá)到200%，并能適用于聚酰亞胺（PI）、玻璃、金屬等多種硬質(zhì)材料；對于封裝模塊接口，BIND界面能提供0.24 N/mm的粘附力，是傳統(tǒng)柔性封裝的60倍。

這項研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩(wěn)定高效的通用接口，不僅簡化了柔性醫(yī)療器件的使用，也加速了多模態(tài)、多功能的柔性醫(yī)療器件的研發(fā)。通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫(yī)療領(lǐng)域，如植入式人機(jī)接口、體表健康監(jiān)測、智能柔性傳感、軟體機(jī)器人等。

該成果是在深圳先進(jìn)院神經(jīng)工程中心研究員李光林主持的國家基金委重大科研儀器研制項目、劉志遠(yuǎn)主持的國家重點(diǎn)研發(fā)計劃及神經(jīng)工程研究中心的大力支持下，?與南洋理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)通力合作完成的，并得到了中科院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)重點(diǎn)實驗室和中科院健康信息學(xué)重點(diǎn)實驗室及平臺的支持。

審核編輯 ：李倩