特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。現(xiàn)狀
可拉伸的混合裝置是通過將幾個(gè)模塊連接在一起而組裝的（圖1a），主要分為三種基本類型：機(jī)械上與人的組織/皮膚或軟體機(jī)器人相匹配的軟體模塊，由硅基微電子組成的剛性模塊和用于保護(hù)的封裝模塊。這些模塊具有不同的材料、形狀因素和加工技術(shù)，通常是獨(dú)立制造的，然后使用商業(yè)導(dǎo)電漿料（如導(dǎo)電膜和銀漿）進(jìn)行組裝。然后由于漿料和模塊之間的機(jī)械不匹配，組裝后的連接在變形下會(huì)出現(xiàn)界面故障，這大大限制了可拉伸電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和穩(wěn)健性。
解決方案
基于此，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授、斯坦福大學(xué)鮑哲南教授以及中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉志遠(yuǎn)教授通過熱蒸發(fā)金（Au）或銀（Ag）納米顆粒來創(chuàng)造了一種雙相、納米分散（BIND）接口，可以可靠地將軟、硬和封裝模塊連接在一起，以即插即用的方式，無需使用漿料（圖1b）。任何帶有BIND接口的模塊都可以簡單地面對(duì)面地壓在一起，在10秒內(nèi)形成BIND連接（圖1c）。這種界面結(jié)構(gòu)在表面上產(chǎn)生了暴露的粘性苯乙烯-乙炔-丁烯-苯乙烯（SEBS）和Au，在基體內(nèi)部產(chǎn)生了相互滲透的Au納米粒子，這為強(qiáng)大的BIND連接提供了連續(xù)的機(jī)械和電氣途徑。論文以《A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices》題發(fā)表在Nature上。
機(jī)電性能
通過將兩個(gè)BIND接口壓在一起測試軟-軟BIND連接。與商業(yè)漿料相比，BIND連接顯示出近三倍的電拉伸性和近十倍的機(jī)械拉伸性（圖1d）。BIND連接在50%的應(yīng)變下顯示出不到四倍的相對(duì)阻力變化。BIND連接中衰減的應(yīng)變濃度有助于其高電氣伸展性。由于擠壓時(shí)間、壓力和剝落方向?qū)B接件的粘接強(qiáng)度影響不大，即插即用的BIND連接非常容易形成和使用，只需用手指按壓不到10 s。進(jìn)一步測試軟剛性BIND連接。與軟-軟連接類似，軟-剛性BIND連接的相對(duì)電阻變化也較小(圖1e)，與商用導(dǎo)電漿料連接相比，具有更高的電氣(200%)和機(jī)械(800%)拉伸性能。軟硬和軟軟BIND連接在拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷下均表現(xiàn)出600次循環(huán)耐久性，之后的機(jī)械拉伸性能基本不變。此外，BIND接口還可以強(qiáng)連接封裝模塊。通過將SEBS封裝層壓在BIND接口上制備的軟封裝BIND連接進(jìn)行了180°剝皮測試(圖1f)。由于BIND界面上的表面暴露聚合物為封裝層提供了結(jié)合區(qū)域，其界面韌性比傳統(tǒng)封裝大60倍。
結(jié)構(gòu)分析
在納米尺度上研究了它的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)以理解BIND接口的即插即用特性。AFM顯示了BIND界面表面暴露的聚合物和金屬相(圖2a)。聚合物與金屬相的比例影響界面的宏觀電學(xué)和力學(xué)性能，過量的聚合物相會(huì)產(chǎn)生高粘性但不導(dǎo)電的界面，而缺乏聚合物相則會(huì)使界面無粘性。進(jìn)一步的橫斷面AFM顯示BIND連接包含聚合物和金屬的納米級(jí)互穿網(wǎng)絡(luò)，模擬發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Au轟擊軟化的SEBS時(shí)，穿透并在SEBS表面下形成獨(dú)立的核。隨著時(shí)間的推移，這些獨(dú)立的金核在大小和深度上增長，最終在BIND界面上合并形成互穿的納米結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步使用俄歇電子能譜(AES)對(duì)每個(gè)蝕刻層界面內(nèi)的聚合物和金屬相進(jìn)行了分析(圖2c)。非導(dǎo)電界面上有深而稀疏的金納米顆粒分布，而非粘附界面上有密集堆疊的金層，其表面幾乎沒有聚合物。相比：BIND界面表層含有聚合物和金屬(圖2d)，并在大約70個(gè)蝕刻循環(huán)中結(jié)束(圖2e)。這種聚合物和金屬的雙連續(xù)路徑?jīng)Q定了BIND界面的宏觀電阻。此外，雙相互穿結(jié)構(gòu)允許BIND接口抵抗膠帶剝離，而傳統(tǒng)的PDMS-Au接口很容易呈現(xiàn)不導(dǎo)電(圖2g)。
圖 2：BIND接口和連接的結(jié)構(gòu)分析
用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)的BIND裝置
使用BIND構(gòu)建了用于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)的可拉伸設(shè)備以測試BIND連接在不同模塊的即插即用組裝中的實(shí)用性。通過即插即用的BIND連接將超薄保形模塊連接到厚布線模塊，其中兩個(gè)模塊都覆蓋了BIND封裝層(圖3a)。對(duì)于體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)，在去除支撐層之前，將BIND電極的超薄一端滑到神經(jīng)或肌肉下，折疊并按壓以固定電極(圖3b)，這種超薄結(jié)構(gòu)在布線區(qū)域容易彎曲避免間隙產(chǎn)生的信號(hào)丟失(圖3c)，因此BIND電極顯示出最低的基線噪聲和最高的信噪比(SNR)(圖3d-e)。此外，模塊化BIND電極具有普遍適用性以及抗干擾性，如在體中經(jīng)常遇到的機(jī)械干擾，如觸摸和拖拽，對(duì)BIND電極的性能影響很小。總之，通過BIND連接實(shí)現(xiàn)的共形接觸和持久的電極連接能夠?qū)崿F(xiàn)微妙的體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)并獲得高質(zhì)量的信號(hào)。
圖 3：通過即插即用BIND連接組裝的體內(nèi)神經(jīng)調(diào)節(jié)可拉伸裝置
BIND設(shè)備用于21通道皮膚肌電圖
進(jìn)一步組裝了一個(gè)21通道皮膚肌電圖(EMG) BIND設(shè)備以證明即插即用的BIND連接優(yōu)于其他商業(yè)貼體。該裝置由五個(gè)模塊組成: 超薄保形電極、粗布線、PI PCB和兩個(gè)封裝層(圖4a)。超薄電極采集的信號(hào)通過粗接線模塊中繼到定制的PI PCB上，PI PCB模塊中的Si微電子進(jìn)行信號(hào)處理、存儲(chǔ)和傳輸。BIND電極能抵抗機(jī)械干擾。當(dāng)用鑷子鉗對(duì)連接施加壓力時(shí)(圖4c)，BIND電極的信號(hào)仍然清晰(圖4d)。此外，BIND電極在握拳前、握拳中和握拳后的信噪比較高，說明電極在壓力下采集信號(hào)可靠(圖4f)。除了壓力，BIND接頭還能承受高達(dá)50%的應(yīng)變以及更高的信噪比。21通道BIND電極可以映射各種手勢的EMG信號(hào)，包括手的動(dòng)作、手指的動(dòng)作和不同程度的最大自主收縮(圖4g)。它在水下也能很好地工作，具有良好的抗機(jī)械干擾(圖4h)，表明BIND連接可以將各種模塊以即插即用的方式組裝成復(fù)雜的可拉伸器件，具有高質(zhì)量的信號(hào)和抗機(jī)械干擾。
圖 4：使用即插即用BIND連接組裝的21通道皮膚肌電圖電極陣列
小結(jié)
總之，研究報(bào)告了一個(gè)高度可拉伸的BIND接口，它可以將軟模塊、剛性模塊和封裝模塊集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了具有高電拉伸性和機(jī)械拉伸性的軟-軟BIND連接。進(jìn)一步表明，用于構(gòu)建更復(fù)雜的21通道皮膚肌電圖電極的即插即用BIND連接使我們能夠收集高質(zhì)量的肌電圖信號(hào)，并具有抗機(jī)械干擾的能力。這種通過即插即用的BIND接口，構(gòu)建具有不同功能和復(fù)雜性的可拉伸混合設(shè)備變得簡單而快速，為皮膚上和植入式人機(jī)交互提供了無限的選擇。https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-zYing Jiang et al. A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices.Nature614, 456–462 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05579-z
