黑科技！中科院深圳先进院，重磅《Nature》！

一、研究背景

随着人们对美好生活的追求日益增高，面向健康医疗的可穿戴和可植入电子设备、能够给人类生活带来极大便捷和美好体验的人-机交互电子、以及能够适应各种复杂环境的软体机器人等成为未来电子科学技术发展的热点领域，而这些重要的应用领域都需要电子器件具有柔性和可拉伸性。传统电子器件都搭载在硬质基板上，虽然单位面积内可以集成上亿电路处理单元，但其不能进行弯折，并且硅基和玻璃基衬底易碎，因此，不能直接应用于柔性和可拉伸应用场景。基于此，柔性和可拉伸电子已成为电子科学与技术领域的热点研究方向。

可拉伸电子器件的主要类型可分为：(1) 可拉伸传感器，包括可拉伸应变传感器、可拉伸压力传感器、可拉伸温度传感器等，其主要应用场景包括但不限于智能医疗、肢体运动检测、手势识别、软体机器人、电子皮肤、智能交互等；(2) 可拉伸电路，包括用于信号处理和放大的可拉伸逻辑反相器、用于信号采集和转换的可拉伸模数转换器、可生物降解的植入式电路等，其主要应用场景包括电子皮肤、植入式体内医疗健康检测、软体机器人等；(3) 可拉伸显示，包括可拉伸显示屏、可拉伸电子纸等，其主要应用场景包括可折叠手机、车载显示、智能家居等智能终端。

可拉伸混合器件通过连接几个模块组装在一起。它们可分为三种基本类型:机械匹配人体或软体机器人的组织/皮肤的软模块，由硅基微电子组成的刚性模块和用于保护的封装模块。这些模块具有不同的材料、形状因素和加工技术，通常是独立制造的，然后使用各向异性导电膜(ACF)和银糊等商业导电糊进行组装。挑战在于，由于浆料和模块之间的机械不匹配，组装的连接在变形下会出现界面破坏。这个问题极大地限制了可拉伸电子系统的复杂性和鲁棒性。

人们尝试了各种方法来解决这些问题。全软电子器件(没有刚性Si元件)已被开发出来以消除界面处的机械失配。然而，硅基器件仍然是信号处理和无线通信所必需的。也有人用液态金属代替刚性浆料，但其高表面张力导致界面附着力低，并可能涂抹到不需要的地方。由具有导电填料的自愈合聚合物或水凝胶基质组成的复合材料可能消除或取代浆料的使用。然而，它们的大厚度(几十到几百微米)导致机械不匹配和降低机械或电气稳健性，以及不适用于超薄电子设备。

二、研究成果

可拉伸的混合设备已经实现了高保真的植入式和皮肤上的生理信号监测。这些设备通常包含符合人类机械要求的软模块和软机器人，包含硅基微电子和保护性封装模块的刚性模块。为了使这种系统在机械上符合要求，模块之间的互连需要承受应力集中，这可能会限制它们的拉伸，并最终导致脱胶失败。中国科学院深圳先进技术研究院刘志远教授课题组与美国斯坦福大学鲍哲南教授、新加坡南洋理工大学陈晓东教授课题组合作报道了一个通用接口，它可以可靠地将软模块、刚性模块和封装模块连接在一起，以即插即用的方式形成强健的和高度可拉伸的设备。该界面由互穿聚合物和金属纳米结构组成，通过简单的按压来连接模块，而无需使用浆料。它的形成由双相网络增长模型描述。通过该接口连接的软-软模块的机械和电气拉伸性能分别达到600%和180%。软模块和硬模块也可以使用上述接口进行电连接。具有该界面的软模块的封装具有强粘接性，界面韧性为0.24 N mm 1。作为概念证明，使用该接口组装可拉伸装置，用于体内神经调节和皮肤肌电图，具有高信号质量和机械阻力。作者希望这种即插即用的接口可以简化和加速皮肤上和可植入的可拉伸设备的开发。相关研究工作以“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！

三、图文速递

图1. 可拉伸混合设备的BIND连接

图2. BIND接口和连接的结构分析

在这项工作中，作者创建了一个双相、纳米分散(BIND)接口，可以可靠地将软、刚性和封装模块连接在一起，以即插即用的方式，无需使用浆料(图1b)。任何带有BIND接口的模块都可以简单地面对面压在一起，在不到10秒的时间内形成BIND连接(图1c)。作者通过热蒸发金(Au)或银(Ag)纳米颗粒制备BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)热塑性弹性体内部形成互穿纳米结构，SEBS是一种广泛应用于可拉伸电子产品的软基板。SEBS基质表面附近的纳米颗粒形成了一个双相层(大约90纳米深)，其中一些纳米颗粒完全浸入其中，而另一些纳米颗粒部分暴露在外(图1b插图)。这种界面结构在表面产生了外露的SEBS和Au在基体内部互穿金纳米颗粒，为坚固的BIND连接提供了连续的机械和电气通道。

首先，作者通过将两个BIND接口压在一起来测试一个软-软BIND连接。作为对照，作者使用ACF胶带、铜(Cu)胶带、碳胶带和四种银糊等商业浆料连接聚二甲基硅氧烷(PDMS) -Au基片。与商业浆料相比，BIND连接显示出近3倍的电拉伸性能(电断裂前的最大应变，>180%，而约为45%)和近10倍的机械拉伸性能(机械断裂前的最大应变，>600%，而约为60%)(图1d)。

此外，BIND接头在50%应变下的相对电阻变化小于4倍。有限元分析辅助力学分析表明，BIND连接中衰减的应变浓度有助于其高电拉伸性。这种坚固的BIND连接需要SEBS与金属纳米颗粒之间的平衡比例，这是由纳米颗粒沉积速率(0.5-1.0 Å s 1)和厚度(45-60 nm)控制的。较大的沉积速率和厚度会导致不粘接界面，而较小的沉积速率和厚度会导致界面不导电。

图3. 通过即插即用BIND连接组装的体内神经调节可拉伸装置

图4. 使用即插即用BIND连接组装的21通道皮肤肌电图电极阵列

皮肤上的EMG电极通常会在连接点处经历机械干扰，如压力或应变。这种集中应力通常会导致噪声信号和/或电极故障。作者的BIND电极能抵抗这种干扰。当用镊子钳对连接施加压力时(图4c)，来自BIND电极的信号仍然清晰，而来自对照ACF连接电极的信号被削弱和噪声(图4d)。具体而言，BIND电极的干扰比对照电极小，由按压(0.03 vs 0.24 mV)或释放(0.12 vs 0.80 mV)引起(图4e)。此外，BIND电极在握拳前(20.9 dB)、握拳中(17.2 dB)和握拳后(20.3 dB)的信噪比较高，说明电极在压力下采集信号可靠，握拳后恢复良好(图4f)。相比之下，初始信噪比为11.0 dB的控制电极在压制过程中出现了巨大的信号损失( 0.06 dB信噪比)，之后不完全恢复(7.56 dB信噪比)。除了压力，BIND接头还能承受高达50%的应变。与对照电极相比，BIND电极在拉伸期间(9.2 dB vs 0.3 dB)和拉伸后(18.4 dB vs 11.3 dB)表现出更低的拉伸(0.18 vs 0.28 mV)和释放(0.13 vs 0.55 mV)伪影，以及更高的信噪比。

四、结论与展望

总之，作者报道了一个高度可拉伸的BIND接口，它可以将软模块、刚性模块和封装模块集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合设备。作者的BIND界面包含互穿金属和聚合物纳米结构，分别形成连续的机械和电途径。

利用双相网络生长模型分析了形成过程的纳米力学。实现了具有高电拉伸性(>180%)和机械拉伸性(>600%)的软-软BIND连接。软硬BIND连接涉及刚性/柔性衬底，如PI, PET，玻璃和金属，也达到了大约200%的高电拉伸性。此外，软封装BIND连接具有很强的粘附性，显示出比常规封装大60倍的界面韧性。一种可拉伸的混合装置，用于体内神经调节，由不同形状的模块组成，使用BIND连接，比单一厚度的单片电极表现更好。作者进一步展示了即插即用BIND连接用于构建更复杂的21通道皮肤肌电图电极使我们能够收集高质量的肌电图信号，具有抗机械干扰。通过即插即用的BIND接口，构建具有不同功能和复杂性的可拉伸混合设备变得简单而快速，为皮肤上和植入式人机交互提供了无限的选择。

五、文献

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z