近年來(lái)，柔性電子器件在人體健康檢測(cè)、分析以及可穿戴設(shè)備等生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。然而，在柔性電子器件的組裝中，用于連接不同模塊的商用導(dǎo)電膠容易變形、斷裂，使得接口不穩(wěn)定性成為該領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的難題，嚴(yán)重阻礙了整個(gè)器件的拉伸性和信號(hào)質(zhì)量。
基于此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、新加坡南洋理工大學(xué)及美國(guó)斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家們另辟蹊徑，他們繞開(kāi)了用“商業(yè)膠水”組裝柔性電子器件的思路，開(kāi)發(fā)了一種基于雙連續(xù)納米分散網(wǎng)絡(luò)的BIND界面（biphasic, nano-dispersed interface, BIND），這種新型界面能夠作為柔性電子器件通常所包含的柔性模塊、剛性模塊以及封裝模塊的通用接口，只需要按壓10秒鐘，就可以實(shí)現(xiàn)“樂(lè)高式”的高效穩(wěn)定組裝。
相關(guān)成果于2月15日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Nature上。深圳先進(jìn)院研究員劉志遠(yuǎn)南洋理工大學(xué)教授陳曉東、斯坦福大學(xué)教授鮑哲南為論文共同通訊作者，南洋理工大學(xué)博士姜穎為第一作者。
文章上線截圖
人機(jī)接口是人與電子設(shè)備之間進(jìn)行的數(shù)字虛擬世界和現(xiàn)實(shí)物理世界的信息交換，而柔性電子器件則是人機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵核心和先導(dǎo)基礎(chǔ)。近年來(lái)，柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究十分火熱，它大致可以分為植入式和體表式兩種，主要功能就是采集應(yīng)力信號(hào)、溫度信號(hào)、生理電信號(hào)、超聲信號(hào)、生物化學(xué)信號(hào)等生理數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)。不過(guò)，商用導(dǎo)電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩(wěn)定性，無(wú)論單個(gè)模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，那么整個(gè)器件的拉伸性就會(huì)受到制約。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在特定的制備條件下，基于SEBS嵌段聚合物和黃金納米顆粒的柔性界面，即BIND界面，面對(duì)面貼合時(shí)有“魔術(shù)貼”式的電氣與機(jī)械雙重黏合特性，能夠?qū)⒉煌δ艿娜嵝詡鞲衅鞣€(wěn)定地黏合在一起，從而實(shí)現(xiàn)柔性模塊與柔性模塊之間的高效連接。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。這種界面結(jié)構(gòu)在表面產(chǎn)生了暴露的SEBS和Au，在基體內(nèi)部產(chǎn)生了互穿的Au納米顆粒，這為堅(jiān)固的BIND連接提供了連續(xù)的機(jī)械和電氣途徑。總之，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)。實(shí)驗(yàn)表明，采用新型接口的柔性醫(yī)療器件能高精度、高保真、抗干擾地監(jiān)測(cè)體內(nèi)外不同器官，包括表皮、腦皮層、坐骨神經(jīng)、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用導(dǎo)電膠組裝的系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量大幅度提升。
據(jù)介紹，采用BIND界面的柔性模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率可達(dá)180%，機(jī)械拉伸率可達(dá)600%，遠(yuǎn)高于采用商用導(dǎo)電膠連接的普通接口（分別為45%、60%）；對(duì)于硬質(zhì)模塊接口，其導(dǎo)電拉伸率達(dá)到200%，并能適用于聚酰亞胺（PI）、玻璃、金屬等多種硬質(zhì)材料；對(duì)于封裝模塊接口，BIND界面能提供0.24 N/mm的粘附力，是傳統(tǒng)柔性封裝的60倍。
這項(xiàng)研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩(wěn)定高效的通用接口，不僅簡(jiǎn)化了柔性醫(yī)療器件的使用，也加速了多模態(tài)、多功能的柔性醫(yī)療器件的研發(fā)。通過(guò)該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域，如植入式人機(jī)接口、體表健康監(jiān)測(cè)、智能柔性傳感、軟體機(jī)器人等。
該成果是在深圳先進(jìn)院神經(jīng)工程中心研究員李光林主持的國(guó)家基金委重大科研儀器研制項(xiàng)目、劉志遠(yuǎn)主持的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及神經(jīng)工程研究中心的大力支持下，與南洋理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)通力合作完成的，并得到了中科院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中科院健康信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及平臺(tái)的支持。
可拉伸混合設(shè)備的BIND連接
研究團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的“魔術(shù)貼”式柔性組裝方法與在肌電監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例
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