一、研究背景

隨著人們對(duì)美好生活的追求日益增高，面向健康醫(yī)療的可穿戴和可植入電子設(shè)備、能夠給人類生活帶來(lái)極大便捷和美好體驗(yàn)的人-機(jī)交互電子、以及能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的軟體機(jī)器人等成為未來(lái)電子科學(xué)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，而這些重要的應(yīng)用領(lǐng)域都需要電子器件具有柔性和可拉伸性。傳統(tǒng)電子器件都搭載在硬質(zhì)基板上，雖然單位面積內(nèi)可以集成上億電路處理單元，但其不能進(jìn)行彎折，并且硅基和玻璃基襯底易碎，因此，不能直接應(yīng)用于柔性和可拉伸應(yīng)用場(chǎng)景?；诖?，柔性和可拉伸電子已成為電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向。

可拉伸電子器件的主要類型可分為：(1) 可拉伸傳感器，包括可拉伸應(yīng)變傳感器、可拉伸壓力傳感器、可拉伸溫度傳感器等，其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括但不限于智能醫(yī)療、肢體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別、軟體機(jī)器人、電子皮膚、智能交互等；(2) 可拉伸電路，包括用于信號(hào)處理和放大的可拉伸邏輯反相器、用于信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換的可拉伸模數(shù)轉(zhuǎn)換器、可生物降解的植入式電路等，其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括電子皮膚、植入式體內(nèi)醫(yī)療健康檢測(cè)、軟體機(jī)器人等；(3) 可拉伸顯示，包括可拉伸顯示屏、可拉伸電子紙等，其主要應(yīng)用場(chǎng)景包括可折疊手機(jī)、車載顯示、智能家居等智能終端。

可拉伸混合器件通過(guò)連接幾個(gè)模塊組裝在一起。它們可分為三種基本類型:機(jī)械匹配人體或軟體機(jī)器人的組織/皮膚的軟模塊，由硅基微電子組成的剛性模塊和用于保護(hù)的封裝模塊。這些模塊具有不同的材料、形狀因素和加工技術(shù)，通常是獨(dú)立制造的，然后使用各向異性導(dǎo)電膜(ACF)和銀糊等商業(yè)導(dǎo)電糊進(jìn)行組裝。挑戰(zhàn)在于，由于漿料和模塊之間的機(jī)械不匹配，組裝的連接在變形下會(huì)出現(xiàn)界面破壞。這個(gè)問(wèn)題極大地限制了可拉伸電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和魯棒性。

人們嘗試了各種方法來(lái)解決這些問(wèn)題。全軟電子器件(沒(méi)有剛性Si元件)已被開(kāi)發(fā)出來(lái)以消除界面處的機(jī)械失配。然而，硅基器件仍然是信號(hào)處理和無(wú)線通信所必需的。也有人用液態(tài)金屬代替剛性漿料，但其高表面張力導(dǎo)致界面附著力低，并可能涂抹到不需要的地方。由具有導(dǎo)電填料的自愈合聚合物或水凝膠基質(zhì)組成的復(fù)合材料可能消除或取代漿料的使用。然而，它們的大厚度(幾十到幾百微米)導(dǎo)致機(jī)械不匹配和降低機(jī)械或電氣穩(wěn)健性，以及不適用于超薄電子設(shè)備。

二、研究成果

可拉伸的混合設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高保真的植入式和皮膚上的生理信號(hào)監(jiān)測(cè)。這些設(shè)備通常包含符合人類機(jī)械要求的軟模塊和軟機(jī)器人，包含硅基微電子和保護(hù)性封裝模塊的剛性模塊。為了使這種系統(tǒng)在機(jī)械上符合要求，模塊之間的互連需要承受應(yīng)力集中，這可能會(huì)限制它們的拉伸，并最終導(dǎo)致脫膠失敗。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉志遠(yuǎn)教授課題組與美國(guó)斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授課題組合作報(bào)道了一個(gè)通用接口，它可以可靠地將軟模塊、剛性模塊和封裝模塊連接在一起，以即插即用的方式形成強(qiáng)健的和高度可拉伸的設(shè)備。該界面由互穿聚合物和金屬納米結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)簡(jiǎn)單的按壓來(lái)連接模塊，而無(wú)需使用漿料。它的形成由雙相網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)模型描述。通過(guò)該接口連接的軟-軟模塊的機(jī)械和電氣拉伸性能分別達(dá)到600%和180%。軟模塊和硬模塊也可以使用上述接口進(jìn)行電連接。具有該界面的軟模塊的封裝具有強(qiáng)粘接性，界面韌性為0.24 N mm?1。作為概念證明，使用該接口組裝可拉伸裝置，用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)和皮膚肌電圖，具有高信號(hào)質(zhì)量和機(jī)械阻力。作者希望這種即插即用的接口可以簡(jiǎn)化和加速皮膚上和可植入的可拉伸設(shè)備的開(kāi)發(fā)。相關(guān)研究工作以“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature》上。祝賀！

三、圖文速遞

在這項(xiàng)工作中，作者創(chuàng)建了一個(gè)雙相、納米分散(BIND)接口，可以可靠地將軟、剛性和封裝模塊連接在一起，以即插即用的方式，無(wú)需使用漿料(圖1b)。任何帶有BIND接口的模塊都可以簡(jiǎn)單地面對(duì)面壓在一起，在不到10秒的時(shí)間內(nèi)形成BIND連接(圖1c)。作者通過(guò)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(gè)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(圖1b插圖)。這種界面結(jié)構(gòu)在表面產(chǎn)生了外露的SEBS和Au在基體內(nèi)部互穿金納米顆粒，為堅(jiān)固的BIND連接提供了連續(xù)的機(jī)械和電氣通道。

首先，作者通過(guò)將兩個(gè)BIND接口壓在一起來(lái)測(cè)試一個(gè)軟-軟BIND連接。作為對(duì)照，作者使用ACF膠帶、銅(Cu)膠帶、碳膠帶和四種銀糊等商業(yè)漿料連接聚二甲基硅氧烷(PDMS) -Au基片。與商業(yè)漿料相比，BIND連接顯示出近3倍的電拉伸性能(電斷裂前的最大應(yīng)變，>180%，而約為45%)和近10倍的機(jī)械拉伸性能(機(jī)械斷裂前的最大應(yīng)變，>600%，而約為60%)(圖1d)。

此外，BIND接頭在50%應(yīng)變下的相對(duì)電阻變化小于4倍。有限元分析輔助力學(xué)分析表明，BIND連接中衰減的應(yīng)變濃度有助于其高電拉伸性。這種堅(jiān)固的BIND連接需要SEBS與金屬納米顆粒之間的平衡比例，這是由納米顆粒沉積速率(0.5-1.0 ? s?1)和厚度(45-60 nm)控制的。較大的沉積速率和厚度會(huì)導(dǎo)致不粘接界面，而較小的沉積速率和厚度會(huì)導(dǎo)致界面不導(dǎo)電。

皮膚上的EMG電極通常會(huì)在連接點(diǎn)處經(jīng)歷機(jī)械干擾，如壓力或應(yīng)變。這種集中應(yīng)力通常會(huì)導(dǎo)致噪聲信號(hào)和/或電極故障。作者的BIND電極能抵抗這種干擾。當(dāng)用鑷子鉗對(duì)連接施加壓力時(shí)(圖4c)，來(lái)自BIND電極的信號(hào)仍然清晰，而來(lái)自對(duì)照ACF連接電極的信號(hào)被削弱和噪聲(圖4d)。具體而言，BIND電極的干擾比對(duì)照電極小，由按壓(0.03 vs 0.24 mV)或釋放(0.12 vs 0.80 mV)引起(圖4e)。此外，BIND電極在握拳前(20.9 dB)、握拳中(17.2 dB)和握拳后(20.3 dB)的信噪比較高，說(shuō)明電極在壓力下采集信號(hào)可靠，握拳后恢復(fù)良好(圖4f)。相比之下，初始信噪比為11.0 dB的控制電極在壓制過(guò)程中出現(xiàn)了巨大的信號(hào)損失(?0.06 dB信噪比)，之后不完全恢復(fù)(7.56 dB信噪比)。除了壓力，BIND接頭還能承受高達(dá)50%的應(yīng)變。與對(duì)照電極相比，BIND電極在拉伸期間(9.2 dB vs 0.3 dB)和拉伸后(18.4 dB vs 11.3 dB)表現(xiàn)出更低的拉伸(0.18 vs 0.28 mV)和釋放(0.13 vs 0.55 mV)偽影，以及更高的信噪比。

四、結(jié)論與展望

總之，作者報(bào)道了一個(gè)高度可拉伸的BIND接口，它可以將軟模塊、剛性模塊和封裝模塊集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合設(shè)備。作者的BIND界面包含互穿金屬和聚合物納米結(jié)構(gòu)，分別形成連續(xù)的機(jī)械和電途徑。

利用雙相網(wǎng)絡(luò)生長(zhǎng)模型分析了形成過(guò)程的納米力學(xué)。實(shí)現(xiàn)了具有高電拉伸性(>180%)和機(jī)械拉伸性(>600%)的軟-軟BIND連接。軟硬BIND連接涉及剛性/柔性襯底，如PI, PET，玻璃和金屬，也達(dá)到了大約200%的高電拉伸性。此外，軟封裝BIND連接具有很強(qiáng)的粘附性，顯示出比常規(guī)封裝大60倍的界面韌性。一種可拉伸的混合裝置，用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)，由不同形狀的模塊組成，使用BIND連接，比單一厚度的單片電極表現(xiàn)更好。作者進(jìn)一步展示了即插即用BIND連接用于構(gòu)建更復(fù)雜的21通道皮膚肌電圖電極使我們能夠收集高質(zhì)量的肌電圖信號(hào)，具有抗機(jī)械干擾。通過(guò)即插即用的BIND接口，構(gòu)建具有不同功能和復(fù)雜性的可拉伸混合設(shè)備變得簡(jiǎn)單而快速，為皮膚上和植入式人機(jī)交互提供了無(wú)限的選擇。

五、文獻(xiàn)

文獻(xiàn)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z