我們的身體會發(fā)出大量的信號，例如化學(xué)物質(zhì)、電脈沖、機(jī)械位移等等，這些可以提供關(guān)于我們健康的大量信息。但是，能夠檢測這些信號的電子傳感器通常是由易碎的無機(jī)材料制成，這使得它們在我們的皮膚上或體內(nèi)無法拉伸和彎曲。
最近的技術(shù)進(jìn)步使可伸展的傳感器成為可能，但是它們的形狀變化會影響產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，許多傳感器無法收集和處理人體最微弱的信號。
成果簡介
鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南院士、芝加哥大學(xué)王思泓等人設(shè)計(jì)了一種新傳感器設(shè)計(jì)有助于解決該問題。通過結(jié)合可優(yōu)化晶體管之間應(yīng)變分布的圖案化材料，研究人員創(chuàng)造了可拉伸的電子產(chǎn)品，該電子產(chǎn)品受變形的影響較小。他們還在設(shè)計(jì)中創(chuàng)建了幾個(gè)電路元件，這可能會應(yīng)用于開發(fā)更多類型的可拉伸電子設(shè)備。研究人員并將其測試作為肌萎縮性側(cè)索硬化癥（一種導(dǎo)致肌肉失控的神經(jīng)系統(tǒng)疾病）的診斷工具。成果發(fā)表在Nature Electronics上。
整體設(shè)計(jì)
這項(xiàng)新設(shè)計(jì)使電子產(chǎn)品能夠在不損害數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行拉伸，并最終幫助研究人員采用非臨床方法來監(jiān)測我們的健康狀況。在設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí)，研究人員使用了圖案化的應(yīng)變分布概念。在制作晶體管時(shí)，他們使用了由彈性體（一種彈性聚合物）制成的基板。它們改變了彈性體層的密度，這意味著有些地方可以保持較軟，而另一些地方則保持較硬而仍具有彈性。較硬的層（被研究人員稱為“elastiff層”）被用于活躍的電子區(qū)域。
圖|具有圖案化應(yīng)變分布的應(yīng)變不敏感的可拉伸晶體管陣列
電性能不受拉伸影響
結(jié)果顯示，晶體管陣列在拉伸和彎曲時(shí)與未變形時(shí)具有幾乎相同的電性能。實(shí)際上，當(dāng)拉伸高達(dá)100％時(shí)，它們的性能差異連5％都不到。
研究人員還使用該概念設(shè)計(jì)和制造其他電路部件，包括或非門、環(huán)形振蕩器和放大器?；蚍情T用于數(shù)字電路，而環(huán)形振蕩器則是用于射頻識別（RFID）技術(shù)。通過使這些零件進(jìn)行了成功的拉伸，研究人員可以制造出更加復(fù)雜的電子產(chǎn)品。
圖|晶體管陣列在高達(dá)100%的整體應(yīng)變下的電性能
兼具收集和放大信號
值得注意的是，他們開發(fā)的可伸縮放大器是第一個(gè)能夠放大低至幾毫伏的微弱電生理信號的類似皮膚的電路。這對于感知人體最弱的信號（例如來自肌肉的信號）是非常重要的。也就是說，他們的電子皮膚不僅可以收集我們身體的信號，還可以在皮膚上對信號進(jìn)行處理和放大。這對于電生理感測的未來是非常重要的一步，特別是用在連續(xù)感測信號時(shí)。
圖|應(yīng)變不敏感的數(shù)字和模擬電路用于人體電生理信號監(jiān)測
目前，研究人員已經(jīng)與一位醫(yī)生進(jìn)行合作，以測試該設(shè)計(jì)作為肌萎縮側(cè)索硬化的診斷工具。通過測量來自肌肉的信號，研究人員希望能夠更好地診斷該疾病，同時(shí)了解該疾病如何影響身體。還希望在可以植入體內(nèi)的電子產(chǎn)品中測試其設(shè)計(jì)，并為各種身體信號創(chuàng)建傳感器。
總而言之，通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在可以完成許多以前不可能完成的事情。可穿戴設(shè)備可以為我們?nèi)粘Ｉ钪械纳眢w健康保駕護(hù)航！
另一篇Nature Electronics
值得注意的是，在1月11日，王思泓等人還在Nature Electronics發(fā)表了另一篇關(guān)于可拉伸電子設(shè)備的綜述。
他們回顧了可拉伸晶體管和功能電路的發(fā)展，并綜述了材料和器件工程方面的進(jìn)展。還考慮了三種用于創(chuàng)建可拉伸晶體管的既定方法：屈曲工程、剛度工程和內(nèi)在可拉伸性工程。另外探討了人類集成電子產(chǎn)品中可拉伸晶體管和電路的當(dāng)前功能，并考慮了交付高級應(yīng)用程序所面臨的挑戰(zhàn)。
參考文獻(xiàn)：
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
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