一、研究布景
跟着人们对美妙生活的逃求日益增高，面向安康医疗的可穿戴和可植入电子设备、可以给人类生活带来极大便利和美妙体验的人-机交互电子、以及可以适应各类复杂情况的软体机器人等成为将来电子科学手艺开展的热点范畴，而那些重要的应用范畴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量基板上，固然单元面积内能够集成上亿电路处置单位，但其不克不及停止弯折，而且硅基和玻璃基衬底易碎，因而，不克不及间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手艺范畴的热点研究标的目的。
可拉伸电子器件的次要类型可分为：(1) 可拉伸传感器，包罗可拉伸应变传感器、可拉伸压力传感器、可拉伸温度传感器等，其次要应用场景包罗但不限于智能医疗、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，包罗用于信号处置和放大的可拉伸逻辑反相器、用于信号收罗和转换的可拉伸模数转换器、可生物降解的植入式电路等，其次要应用场景包罗电子皮肤、植入式体内医疗安康检测、软体机器人等；(3) 可拉伸显示，包罗可拉伸显示屏、可拉伸电子纸等，其次要应用场景包罗可折叠手机、车载显示、智能家居等智能末端。
可拉伸混合器件通过毗连几个模块组拆在一路。它们可分为三种根本类型:机械婚配人体或软体机器人的组织/皮肤的软模块，由硅基微电子构成的刚性模块和用于庇护的封拆模块。那些模块具有差别的质料、外形因素和加工手艺，凡是是独立造造的，然后利用各向异性导电膜(ACF)和银糊等贸易导电糊停止组拆。挑战在于，因为浆料和模块之间的机械不婚配，组拆的毗连在变形下会呈现界面毁坏。那个问题极大地限造了可拉伸电子系统的复杂性和鲁棒性。
人们测验考试了各类办法来处理那些问题。全软电子器件(没有刚性Si元件)已被开发出来以消弭界面处的机械失配。然而，硅基器件仍然是信号处置和无线通信所必须的。也有人用液态金属取代刚性浆料，但其高外表张力招致界面附出力低，并可能涂抹到不需要的处所。由具有导电填料的自愈合聚合物或水凝胶基量构成的复合质料可能消弭或代替浆料的利用。然而，它们的大厚度(几十到几百微米)招致机械不婚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、研究功效
可拉伸的混合设备已经实现了高保实的植入式和皮肤上的心理信号监测。那些设备凡是包罗契合人类机械要求的软模块和软机器人，包罗硅基微电子和庇护性封拆模块的刚性模块。为了使那种系统在机械上契合要求，模块之间的互连需要接受应力集中，那可能会限造它们的拉伸，并最末招致脱胶失败。中国科学院深圳先辈手艺研究院刘志远传授课题组与美国斯坦福大学鲍哲南传授、新加坡南洋理工大学陈晓东传授课题组合做报导了一个通用接口，它能够可靠地将软模块、刚性模块和封拆模块毗连在一路，以即插即用的体例构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构造构成，通过简单的按压来毗连模块，而无需利用浆料。它的构成由双相收集增长模子描述。通过该接口毗连的软-软模块的机械和电气拉伸性能别离到达600%和180%。软模块和硬模块也能够利用上述接口停止电毗连。具有该界面的软模块的封拆具有强粘接性，界面韧性为0.24 N mm−1。做为概念证明，利用该接口组拆可拉伸安装，用于体内神经调理和皮肤肌电图，具有高信号量量和机械阻力。做者希望那种即插即用的接口能够简化和加速皮肤上和可植入的可拉伸设备的开发。相关研究工做以“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”为题颁发在国际顶级期刊《Nature》上。恭喜！
三、图文速递
图1. 可拉伸混合设备的BIND毗连
图2. BIND接口和毗连的构造阐发
在那项工做中，做者创建了一个双相、纳米分离(BIND)接口，能够可靠地将软、刚性和封拆模块毗连在一路，以即插即用的体例，无需利用浆料(图1b)。任何带有BIND接口的模块都能够简单空中对面压在一路，在不到10秒的时间内构成BIND毗连(图1c)。做者通过热蒸发金(Au)或银(Ag)纳米颗粒造备BIND界面，在自粘苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)热塑性弹性体内部构成互穿纳米构造，SEBS是一种普遍应用于可拉伸电子产物的软基板。SEBS基量外表附近的纳米颗粒构成了一个双相层(大约90纳米深)，此中一些纳米颗粒完全浸入此中，而另一些纳米颗粒部门表露在外(图1b插图)。那种界面构造在外表产生了外露的SEBS和Au在基体内部互穿金纳米颗粒，为巩固的BIND毗连供给了持续的机械和电气通道。
起首，做者通过将两个BIND接口压在一路来测试一个软-软BIND毗连。做为对照，做者利用ACF胶带、铜(Cu)胶带、碳胶带和四种银糊等贸易浆料毗连聚二甲基硅氧烷(PDMS) -Au基片。与贸易浆料比拟，BIND毗连显示出近3倍的电拉伸性能(电断裂前的更大应变，>180%，而约为45%)和近10倍的机械拉伸性能(机械断裂前的更大应变，>600%，而约为60%)(图1d)。
此外，BIND接头在50%应变下的相对电阻变革小于4倍。有限元阐发辅助力学阐发表白，BIND毗连中衰减的应变浓度有助于其高电拉伸性。那种巩固的BIND毗连需要SEBS与金属纳米颗粒之间的平衡比例，那是由纳米颗粒堆积速度(0.5-1.0 Å s−1)和厚度(45-60 nm)控造的。较大的堆积速度和厚度会招致不粘接界面，而较小的堆积速度和厚度会招致界面不导电。
图3. 通过即插即用BIND毗连组拆的体内神经调理可拉伸安装
图4. 利用即插即用BIND毗连组拆的21通道皮肤肌电图电极阵列
皮肤上的EMG电极凡是会在毗连点处履历机械干扰，如压力或应变。那种集中应力凡是会招致噪声信号和/或电极毛病。做者的BIND电极能抵御那种干扰。当用镊子钳对毗连施加压力时(图4c)，来自BIND电极的信号仍然明晰，而来自对照ACF毗连电极的信号被削弱和噪声(图4d)。详细而言，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)的信噪比力高，申明电极在压力下收罗信号可靠，握拳后恢复优良(图4f)。比拟之下，初始信噪比为11.0 dB的控造电极在压造过程中呈现了庞大的信号丧失(−0.06 dB信噪比)，之后不完全恢复(7.56 dB信噪比)。除了压力，BIND接头还能接受高达50%的应变。与对照电极比拟，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)表示出更低的拉伸(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、结论与瞻望
总之，做者报导了一个高度可拉伸的BIND接口，它能够将软模块、刚性模块和封拆模块集成在一路，以即插即用的体例构成可拉伸的混合设备。做者的BIND界面包罗互穿金属和聚合物纳米构造，别离构成持续的机械和电路子。
操纵双相收集生长模子阐发了构成过程的纳米力学。实现了具有高电拉伸性(>180%)和机械拉伸性(>600%)的软-软BIND毗连。软硬BIND毗连涉及刚性/柔性衬底，如PI, PET，玻璃和金属，也到达了大约200%的高电拉伸性。此外，软封拆BIND毗连具有很强的粘附性，显示出比常规封拆大60倍的界面韧性。一种可拉伸的混合安装，用于体内神经调理，由差别外形的模块构成，利用BIND毗连，比单一厚度的单片电极表示更好。做者进一步展现了即插即用BIND毗连用于构建更复杂的21通道皮肤肌电图电极使我们可以搜集高量量的肌电图信号，具有抗机械干扰。通过即插即用的BIND接口，构建具有差别功用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供给了无限的选择。
五、文献
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z
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