近年来，柔性电子器件在人体安康检测、阐发以及可穿戴设备等生物医学工程范畴展示出了普遍的利用前景。然而，在柔性电子器件的组拆中，用于毗连差别模块的商用导电胶随便变形、断裂，使得接口不不变性成为该范畴内持久存在的难题，严峻障碍了整个器件的拉伸性和信号量量。
近日，一批华人科学家则另辟门路，他们绕开了用“贸易胶水”组拆柔性电子器件的构想，而是开发了一种基于双持续纳米分离收集的BIND界面（biphasic, nano-dispersed interface, BIND），那种新型界面可以做为柔性电子器件凡是所包罗的柔性模块、刚性模块以及封拆模块的通用接口，只需要按压10秒钟，就能够实现“乐高式”的高效不变组拆。
该功效2月15日颁发于国际顶级期刊《天然》（Nature），中国科学院深圳先辈手艺研究院（简称“深圳先辈院”）研究员刘志远与新加坡南洋理工大学传授陈晓东、美国斯坦福大学传授鲍哲南为配合通信做者，南洋理工大学博士姜颖为第一做者。
论文上线截图。（图片来源:Nature网站）
一个偶尔发现的“魔术贴”
人机接口是人与电子设备之间停止的数字虚拟世界和现实物理世界的信息交换，而柔性电子器件则是人机接口手艺的关键核心和先导根底。
近年来，柔性电子器件在生物医学工程范畴的研究非常炽热，世界各地的研究团队也开发出了多种柔性电子器件。它大致能够分为植进式和体表式两种，次要功用就是摘集应力信号、温度信号、心理电信号、超声信号、生物化学信号等心理数据，以监测人体安康形态。
“那些柔性电子器件一般都由差别模块组拆而成。”刘志远介绍，其根本模块能够分为三类，即间接贴合人体的柔性传感模块、负责数据传输和运算的硅基微电子刚性模块，以及庇护器件免受机械磨损和外部侵蚀的封拆模块。“因为那三种模块的外形参数、素材性量、加工前提差别，往往要先分隔造备，再通过商用导电胶组拆在一路，构成差别功用的柔性电子器件。”
不外，商用导电胶的瓶颈却毁坏了柔性电子器件的整体不变性。
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姜颖阐明道，无论单个模块的拉伸性多好，只要模块接口处的拉伸性很弱，那么整个器件的拉伸性就会遭到造约。“我们曾经把研发的柔性电子器件放在大鼠体内，想持久监测它的动态心理信号，成果没几天，柔性传感模块自己没问题，接口却在大鼠跑动的过程中断掉了，如许的话，器件是很难在现实中利用的。”
基于此，他们不断在停止相关研究，试图处理那个普及存在的柔性接口问题，而起色则发作在2017年。
其时，刘志远正在陈晓东课题组攻读博士，其间到鲍哲南课题组做拜候交换，在那里，他偶尔发现，在特定的造备前提下，基于SEBS嵌段聚合物和黄金纳米颗粒的柔性界面，即BIND界面，面临面贴应时有“魔术贴”式的电气与机械双重黏合特征，而那是之前从未报导过的新现象。
回到新加坡后，刘志远就与同在陈晓东课题组攻读博士的姜颖一路对那种新型柔性界面展开了深进研究。
拥有超百倍的优良性
很快他们就发现，那种柔性界面可以做为柔性模块之间的接口，就像天然的“魔术贴”一样，可以将差别功用的柔性传感器不变地黏合在一路，从而实现柔性模块与柔性模块之间的高效毗连。
而除了柔性传感模块之外，柔性电子器件还需要一路组拆刚性模块、封拆模块等。但想要将那些差别的模块完全地组拆在一路并发扬柔性电子器件的功用并不是易事，特殊是柔性模块与刚性模块之间的毗连，它们的接口机械性能婚配度更低，遭到的应力集中和毁坏水平也更高。
于是，他们摘用OTS润色等办法将BIND界面造备在硬量模块上，让硬量模块可以高效毗连另一个有BIND界面的柔性模块。
“那种办法的普适性很强，就像‘拼乐高’一样，任何带有BIND接口的模块，只要面临面按压在一路，就能够把柔性电子器件更乖巧、高效地组拆在一路。”姜颖说，“能够婚配工业成熟的工艺，好比柔性聚酰亚胺PCB。”
据刘志远介绍，结合团队随后通过原子力显微镜对其纳米级力学性能停止了成像和辨识，并用分层俄歇电子能谱定量阐发，得知其电气与机械双重黏附来源于100纳米深度内三维彼此交叉的双持续纳米收集。“我们还基于分子动力学模仿构建了BIND界面的双持续收集生长机理，进而优化了它的电气和机械性能。”
而为了验证该那一新型接口在智能柔性医疗器件中的现实利用，结合团队造备了利用该接口组拆的植进式神经调控传感系统，利用国度基金委严重科学仪器项目完成的体表多通道电心理信号传感系统摘集电心理信号。
尝试表白，摘用新型接口的柔性医疗器件能高精度、高保实、抗骚乱地监测体表里差别器官，包罗表皮、脑皮层、坐骨神经、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用导电胶组拆的系统信号量量大幅度提拔。
据介绍，摘用BIND界面的柔性模块接口，其导电拉伸率可达180%，机械拉伸率可达600%，远高于摘用商用导电胶毗连的通俗接口（别离为45%、60%）；关于硬量模块接口，其导电拉伸率到达200%，并能适用于聚酰亚胺（PI）、玻璃、金属等多种硬量素材；关于封拆模块接口，BIND界面能供给0.24 N/mm的粘附力，是传统柔性封拆的60倍。
研究团队所开发的“魔术贴”式柔性组拆办法与在肌电监测中的利用实例。（研究团队供图）
有看利用于下一代智能柔性医疗器件
“毫无疑问，该团队研发的柔性电子器件BIND接口，表征和利用都十分超卓，其设想逻辑和尝试验证令人印象深入。”一位审稿人对那项功效给出了高度评判。
事实上，他们2021年9月把那一历时五年的研究功效投稿到《天然》时，仅仅3天时间就收到了送审邮件，更是在短短3个月内便收到了3位审稿人的定见。
“此中一位审稿人问及BIND界面中双持续纳米收集构造的生长机理，那是一个很重要的定见。”姜颖回忆道，“因为我们研究的是一种新的纳米构造，应该不只限于研究‘是什么’‘怎么用’，还应该切磋‘为什么’，从微看机理的角度往阐明宏看尝试的现象。”
对此，研究团队与固体力学家、美国国度工程院院士高华健团队协做，基于分子动力学模仿构建了BIND界面的双持续收集生长机理，阐了然聚合物流体衬底与高动量金属原子之间的彼此感化，最末得到了审稿人的高度承认。
与此同时，国表里同业也对该研究功效赐与了积极评判。
清华大学传授张一慧在《天然》同期颁发的研究简报中评论道:“该工做进步了柔性电子接口的机械和电子不变性，极大鞭策了电子皮肤、可植进器件等柔性电子器件的现实利用。”
日本东京大学传授Takao Someya评论道:“该研究供给了差别硬度的柔性电子模块的办法，是柔性电子组拆的严重打破，有看加速柔性电子的大规模财产化历程。”
以色列耶路撒冷希伯来大学传授Shlomo Magdassi评论道:“那是一个快速简单的柔性器件组拆手艺，能够加速差别功用和复杂度的柔性电子器件的研发。”
“我们那项研究为智能柔性电子器件的模块化组拆供给了可拉伸、不变高效的通用接口，不只简化了柔性医疗器件的利用，也加速了多模态、多功用的柔性医疗器件的研发。”刘志远说，通过该接口组拆的智能柔性传感器件可用于多个医疗范畴，如植进式人机接口、体表安康监测、智能柔性传感、软体机器人等。“不外，它也存在必然局限性，好比电导率优化、持久植进的生物相容性等。”
基于此，研究团队接下来将从生物医学、分子动力学、有机合成等范畴动身，陆续研发下一代新型医疗器件的智能传感素材，打造智能化、柔性化、交互式的人机接口传感器件，利用于神经康复机器人及系统。
【南方日报、南方+记者】马芳
【通信员】刁雯蕙 王之康
【做者】 马芳
【来源】 南方报业传媒集团南方+客户端