中心首篇Nature!深圳先进院等实现柔性电子器件“乐高式”高效稳定组装
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中心首篇Nature!深圳先进院等实现柔性电子器件“乐高式”高效稳定组装

时间:2023-02-21     点击量:2480次

(原文链接https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z

       近年来,柔性电子器件在人体健康检测、分析以及可穿戴设备等生物医学工程领域展现出了广泛的应用前景。然而,在柔性电子器件的组装中,用于连接不同模块的商用导电胶容易变形、断裂,使得接口不稳定性成为该领域内长期存在的难题,严重阻碍了整个器件的拉伸性和信号质量。

       近日,一批华人科学家则另辟蹊径,他们绕开了用“商业胶水”组装柔性电子器件的思路,而是开发了一种基于双连续纳米分散网络的BIND界面(biphasic, nano-dispersed interface, BIND),这种新型界面能够作为柔性电子器件通常所包含的柔性模块、刚性模块以及封装模块的通用接口,只需要按压10秒钟,就可以实现“乐高式”的高效稳定组装。

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研究团队所开发的“魔术贴”式柔性组装方法与在肌电监测中的应用实例

       该成果2月15日发表于国际顶级期刊Nature,中国科学院深圳先进技术研究院(简称“深圳先进院”)研究员刘志远与新加坡南洋理工大学教授陈晓东、美国斯坦福大学教授鲍哲南为共同通讯作者,南洋理工大学博士姜颖为作者。

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文章上线截图

01. 一个偶然发现的“魔术贴” 

       众所周知,人机接口是人与电子设备之间进行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技术的关键核心和先导基础。

       近年来,柔性电子器件在生物医学工程领域的研究十分火热,世界各地的研究团队也开发出了多种柔性电子器件。它大致可以分为植入式和体表式两种,主要功能就是采集应力信号、温度信号、生理电信号、超声信号、生物化学信号等生理数据,以监测人体健康状态。

    “这些柔性电子器件一般都由不同模块组装而成。”刘志远介绍道,其基本模块可以分为三类,即直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,以及保护器件免受机械磨损和外部侵蚀的封装模块。“由于这三种模块的形状参数、材料性质、加工条件不同,往往要先分开制备,再通过商用导电胶组装在一起,构成不同功能的柔性电子器件。”

       不过,商用导电胶的瓶颈却破坏了柔性电子器件的整体稳定性。

       姜颖解释道,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受到制约。“我们曾经把研发的柔性电子器件放在大鼠体内,想长期监测它的动态生理信号,结果没几天,柔性传感模块本身没问题,接口却在大鼠跑动的过程中断掉了,这样的话,器件是很难在实际中应用的。”

       基于此,他们一直在进行相关研究,试图解决这个普遍存在的柔性接口问题,而转机则发生在2017年。当时,刘志远正在陈晓东课题组攻读博士,其间到鲍哲南课题组作访问交流,在那里,他偶然发现,在特定的制备条件下,基于SEBS嵌段聚合物和黄金纳米颗粒的柔性界面,即BIND界面,面对面贴合时有“魔术贴”式的电气与机械双重黏合特性,而这是之前从未报道过的新现象。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起对这种新型柔性界面展开了深入研究。

      

02. 拥有超百倍的优异性

       很快他们就发现,这种柔性界面能够作为柔性模块之间的接口,就像天然的“魔术贴”一样,能够将不同功能的柔性传感器稳定地黏合在一起,从而实现柔性模块与柔性模块之间的高效连接。而除了柔性传感模块之外,柔性电子器件还需要一起组装刚性模块、封装模块等。但想要将这些不同的模块完整地组装在一起并发挥柔性电子器件的功能并非易事,特别是柔性模块与刚性模块之间的连接,它们的接口机械性能匹配度最低,受到的应力集中和破坏程度也最高。

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可拉伸混合设备的BIND连接

       于是,他们采用OTS修饰等方法将BIND界面制备在硬质模块上,让硬质模块能够高效连接另一个有BIND界面的柔性模块。

    “这种方法的普适性很强,就像‘拼乐高’一样,任何带有BIND接口的模块,只要面对面按压在一起,就可以把柔性电子器件更灵活、高效地组装在一起。”姜颖说,“可以匹配工业成熟的工艺,比如柔性聚酰亚胺PCB。”

       刘志远介绍道,联合团队随后通过原子力显微镜对其纳米级力学性能进行了成像和辨识,并用分层俄歇电子能谱定量分析,得知其电气与机械双重黏附来源于100纳米深度内三维相互穿插的双连续纳米网络。“我们还基于分子动力学模拟构建了BIND界面的双连续网络生长机理,进而优化了它的电气和机械性能。”

       而为了验证该这一新型接口在智能柔性医疗器件中的实际应用,联合团队制备了使用该接口组装的植入式神经调控传感系统,使用国家基金委重大科学仪器项目完成的体表多通道电生理信号传感系统采集电生理信号。实验表明,采用新型接口的柔性医疗器件能高精度、高保真、抗干扰地监测体内外不同器官,包括表皮、脑皮层、坐骨神经、腓骨肌肉、膀胱等,比起商用导电胶组装的系统信号质量大幅度提升。

       据介绍,采用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%,远高于采用商用导电胶连接的普通接口(分别为45%、60%);对于硬质模块接口,其导电拉伸率达到200%,并能适用于聚酰亚胺(PI)、玻璃、金属等多种硬质材料;对于封装模块接口,BIND界面能提供0.24 N/mm的粘附力,是传统柔性封装的60倍


03. 有望应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,表征和应用都非常出色,其设计逻辑和实验验证令人印象深刻。”一位审稿人对这项成果给出了高度评价。事实上,他们2021年9月把这一历时五年的研究成果投稿到Nature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位审稿人的意见。“其中一位审稿人问及BIND界面中双连续纳米网络结构的生长机理,这是一个很重要的建议。”姜颖回忆道,“因为我们研究的是一种新的纳米结构,应该不仅限于研究‘是什么’‘怎么用’,还应该探讨‘为什么’,从微观机理的角度去解释宏观实验的现象。”

       对此,研究团队与固体力学家、美国国家工程院院士高华健团队合作,基于分子动力学模拟构建了BIND界面的双连续网络生长机理,解释了聚合物流体衬底与高动量金属原子之间的相互作用,最终得到了审稿人的高度认可。与此同时,国内外同行也对该研究成果给予了积极评价。比如,清华大学教授张一慧在Nature同期发表的研究简报中评论道:“该工作提高了柔性电子接口的机械和电子稳定性,极大推动了电子皮肤、可植入器件等柔性电子器件的实际应用。”日本东京大学教授Takao Someya评论道:“该研究提供了不同硬度的柔性电子模块的方法,是柔性电子组装的重大突破,有望加速柔性电子的大规模产业化进程。”以色列耶路撒冷希伯来大学教授Shlomo Magdassi评论道:“这是一个快速简单的柔性器件组装技术,可以加速不同功能和复杂度的柔性电子器件的研发。”

    “我们这项研究为智能柔性电子器件的模块化组装提供了可拉伸、稳定高效的通用接口,不仅简化了柔性医疗器件的使用,也加速了多模态、多功能的柔性医疗器件的研发。”刘志远说,通过该接口组装的智能柔性传感器件可用于多个医疗领域,如植入式人机接口、体表健康监测、智能柔性传感、软体机器人等。“不过,它也存在一定局限性,比如电导率优化、长期植入的生物相容性等。”

       基于此,研究团队接下来将从生物医学、分子动力学、有机合成等领域出发,继续研发下一代新型医疗器件的智能传感材料,打造智能化、柔性化、交互式的人机接口传感器件,应用于神经康复机器人及系统。

       该成果是在深圳先进院神经工程中心研究员李光林主持的国家基金委重大科研仪器研制项目、刘志远主持的国家重点研发计划及神经工程研究中心的大力支持下,与南洋理工大学、斯坦福大学通力合作完成的,并得到了中科院人机智能协同系统重点实验室和中科院健康信息学重点实验室及平台的支持。