连发2篇Nature Electronics,王思泓联合鲍哲南院士在可穿戴领域取得新进展!
小奇 2021-02-22

我们的身体会发出大量的信号,例如化学物质、电脉冲、机械位移等等,这些可以提供关于我们健康的大量信息。但是,能够检测这些信号的电子传感器通常是由易碎的无机材料制成,这使得它们在我们的皮肤上或体内无法拉伸和弯曲。


最近的技术进步使可伸展的传感器成为可能,但是它们的形状变化会影响产生的数据,许多传感器无法收集和处理人体最微弱的信号。


成果简介

鉴于此,斯坦福大学鲍哲南院士、芝加哥大学王思泓等人设计了一种新传感器设计有助于解决该问题。通过结合可优化晶体管之间应变分布的图案化材料,研究人员创造了可拉伸的电子产品,该电子产品受变形的影响较小。他们还在设计中创建了几个电路元件,这可能会应用于开发更多类型的可拉伸电子设备。研究人员并将其测试作为肌萎缩性侧索硬化症(一种导致肌肉失控的神经系统疾病)的诊断工具。成果发表在Nature Electronics上。


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整体设计

这项新设计使电子产品能够在不损害数据的情况下进行拉伸,并最终帮助研究人员采用非临床方法来监测我们的健康状况。在设计电子设备时,研究人员使用了图案化的应变分布概念。在制作晶体管时,他们使用了由弹性体(一种弹性聚合物)制成的基板。它们改变了弹性体层的密度,这意味着有些地方可以保持较软,而另一些地方则保持较硬而仍具有弹性。较硬的层(被研究人员称为“elastiff层”)被用于活跃的电子区域。


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图|具有图案化应变分布的应变不敏感的可拉伸晶体管阵列


电性能不受拉伸影响

结果显示,晶体管阵列在拉伸和弯曲时与未变形时具有几乎相同的电性能。实际上,当拉伸高达100%时,它们的性能差异连5%都不到。


研究人员还使用该概念设计和制造其他电路部件,包括或非门、环形振荡器和放大器。或非门用于数字电路,而环形振荡器则是用于射频识别(RFID)技术。通过使这些零件进行了成功的拉伸,研究人员可以制造出更加复杂的电子产品。


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图|晶体管阵列在高达100%的整体应变下的电性能


兼具收集和放大信号

值得注意的是,他们开发的可伸缩放大器是第一个能够放大低至几毫伏的微弱电生理信号的类似皮肤的电路。这对于感知人体最弱的信号(例如来自肌肉的信号)是非常重要的。也就是说,他们的电子皮肤不仅可以收集我们身体的信号,还可以在皮肤上对信号进行处理和放大。这对于电生理感测的未来是非常重要的一步,特别是用在连续感测信号时。


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图|应变不敏感的数字和模拟电路用于人体电生理信号监测



目前,研究人员已经与一位医生进行合作,以测试该设计作为肌萎缩侧索硬化的诊断工具。通过测量来自肌肉的信号,研究人员希望能够更好地诊断该疾病,同时了解该疾病如何影响身体。还希望在可以植入体内的电子产品中测试其设计,并为各种身体信号创建传感器。


总而言之,通过先进的设计,现在可以完成许多以前不可能完成的事情。可穿戴设备可以为我们日常生活中的身体健康保驾护航!


另一篇Nature Electronics

值得注意的是,在1月11日,王思泓等人还在Nature Electronics发表了另一篇关于可拉伸电子设备的综述。


他们回顾了可拉伸晶体管和功能电路的发展,并综述了材料和器件工程方面的进展。还考虑了三种用于创建可拉伸晶体管的既定方法:屈曲工程、刚度工程和内在可拉伸性工程。另外探讨了人类集成电子产品中可拉伸晶体管和电路的当前功能,并考虑了交付高级应用程序所面临的挑战。


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参考文献:

1. Wang, W., Wang, S., Rastak, R. et al. Strain-insensitive intrinsically stretchable transistors and circuits. Nat Electron (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00525-1

2. Dai, Y., Hu, H., Wang, M. et al. Stretchable transistors and functional circuits for human-integrated electronics. Nat Electron 4, 17–29 (2021). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00513-5

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