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按壓10秒，即可組裝的新型柔性通用接口
有望應用于下一代智能柔性醫療器件
近年來，柔性電子器件在人體健康檢測、分析以及可穿戴設備等生物醫學工程領域展現出了廣泛的應用前景。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電膠容易變形、斷裂，使得接口不穩定性成為該領域內長期存在的難題，嚴重阻礙了整個器件的拉伸性和信號質量。
近日，一批華人科學家則另辟蹊徑，他們繞開了用“商業膠水”組裝柔性電子器件的思路，而是開發了一種基于雙連續納米分散網絡的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，就可以實現“樂高式”的高效穩定組裝。
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研究團隊所開發的“魔術貼”式柔性組裝方法與在肌電監測中的應用實例
該成果2月15日發表于國際頂級期刊Nature，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）研究員劉志遠與新加坡南洋理工大學教授陳曉東、美國斯坦福大學教授鮑哲南為共同通訊作者，南洋理工大學博士姜穎為第一作者。
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文章上線截圖
01 一個偶然發現的“魔術貼”
眾所周知，人機接口是人與電子設備之間進行的數字虛擬世界和現實物理世界的信息交換，而柔性電子器件則是人機接口技術的關鍵核心和先導基礎。
近年來，柔性電子器件在生物醫學工程領域的研究十分火熱，世界各地的研究團隊也開發出了多種柔性電子器件。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力信號、溫度信號、生理電信號、超聲信號、生物化學信號等生理數據，以監測人體健康狀態。
“這些柔性電子器件一般都由不同模塊組裝而成。”劉志遠介紹道，其基本模塊可以分為三類，即直接貼合人體的柔性傳感模塊、負責數據傳輸和運算的硅基微電子剛性模塊，以及保護器件免受機械磨損和外部侵蝕的封裝模塊。“由于這三種模塊的形狀參數、材料性質、加工條件不同，往往要先分開制備，再通過商用導電膠組裝在一起，構成不同功能的柔性電子器件。”
不過，商用導電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩定性。
姜穎解釋道，無論單個模塊的拉伸性多好，只要模塊接口處的拉伸性很弱，那么整個器件的拉伸性就會受到制約。“我們曾經把研發的柔性電子器件放在大鼠體內，想長期監測它的動態生理信號，結果沒幾天，柔性傳感模塊本身沒問題，接口卻在大鼠跑動的過程中斷掉了，這樣的話，器件是很難在實際中應用的。”
基于此，他們一直在進行相關研究，試圖解決這個普遍存在的柔性接口問題，而轉機則發生在2017年。
當時，劉志遠正在陳曉東課題組攻讀博士，其間到鮑哲南課題組作訪問交流，在那里，他偶然發現，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，面對面貼合時有“魔術貼”式的電氣與機械雙重黏合特性，而這是之前從未報道過的新現象。
回到新加坡后，劉志遠就與同在陳曉東課題組攻讀博士的姜穎一起對這種新型柔性界面展開了深入研究。
02 擁有超百倍的優異性
很快他們就發現，這種柔性界面能夠作為柔性模塊之間的接口，就像天然的“魔術貼”一樣，能夠將不同功能的柔性傳感器穩定地黏合在一起，從而實現柔性模塊與柔性模塊之間的高效連接。
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而除了柔性傳感模塊之外，柔性電子器件還需要一起組裝剛性模塊、封裝模塊等。但想要將這些不同的模塊完整地組裝在一起并發揮柔性電子器件的功能并非易事，特別是柔性模塊與剛性模塊之間的連接，它們的接口機械性能匹配度最低，受到的應力集中和破壞程度也最高。
于是，他們采用OTS修飾等方法將BIND界面制備在硬質模塊上，讓硬質模塊能夠高效連接另一個有BIND界面的柔性模塊。
“這種方法的普適性很強，就像‘拼樂高’一樣，任何帶有BIND接口的模塊，只要面對面按壓在一起，就可以把柔性電子器件更靈活、高效地組裝在一起。”姜穎說，“可以匹配工業成熟的工藝，比如柔性聚酰亞胺PCB。”
劉志遠介紹道，聯合團隊隨后通過原子力顯微鏡對其納米級力學性能進行了成像和辨識，并用分層俄歇電子能譜定量分析，得知其電氣與機械雙重黏附來源于100納米深度內三維相互穿插的雙連續納米網絡。“我們還基于分子動力學模擬構建了BIND界面的雙連續網絡生長機理，進而優化了它的電氣和機械性能。”
而為了驗證該這一新型接口在智能柔性醫療器件中的實際應用，聯合團隊制備了使用該接口組裝的植入式神經調控傳感系統，使用國家基金委重大科學儀器項目完成的體表多通道電生理信號傳感系統采集電生理信號。
實驗表明，采用新型接口的柔性醫療器件能高精度、高保真、抗干擾地監測體內外不同器官，包括表皮、腦皮層、坐骨神經、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用導電膠組裝的系統信號質量大幅度提升。
據介紹，采用BIND界面的柔性模塊接口，其導電拉伸率可達180%，機械拉伸率可達600%，遠高于采用商用導電膠連接的普通接口（分別為45%、60%）；對于硬質模塊接口，其導電拉伸率達到200%，并能適用于聚酰亞胺（PI）、玻璃、金屬等多種硬質材料；對于封裝模塊接口，BIND界面能提供0.24 N/mm的粘附力，是傳統柔性封裝的60倍。
03 有望應用于下一代智能柔性醫療器件
“毫無疑問，該團隊研發的柔性電子器件BIND接口，表征和應用都非常出色，其設計邏輯和實驗驗證令人印象深刻。”一位審稿人對這項成果給出了高度評價。
事實上，他們2021年9月把這一歷時五年的研究成果投稿到Nature時，僅僅3天時間就收到了送審郵件，更是在短短3個月內便收到了3位審稿人的意見。
“其中一位審稿人問及BIND界面中雙連續納米網絡結構的生長機理，這是一個很重要的建議。”姜穎回憶道，“因為我們研究的是一種新的納米結構，應該不僅限于研究‘是什么’‘怎么用’，還應該探討‘為什么’，從微觀機理的角度去解釋宏觀實驗的現象。”
對此，研究團隊與固體力學家、美國國家工程院院士高華健團隊合作，基于分子動力學模擬構建了BIND界面的雙連續網絡生長機理，解釋了聚合物流體襯底與高動量金屬原子之間的相互作用，最終得到了審稿人的高度認可。
與此同時，國內外同行也對該研究成果給予了積極評價。
比如，清華大學教授張一慧在Nature同期發表的研究簡報中評論道：“該工作提高了柔性電子接口的機械和電子穩定性，極大推動了電子皮膚、可植入器件等柔性電子器件的實際應用。”日本東京大學教授Takao Someya評論道：“該研究提供了不同硬度的柔性電子模塊的方法，是柔性電子組裝的重大突破，有望加速柔性電子的大規模產業化進程。”以色列耶路撒冷希伯來大學教授Shlomo Magdassi評論道：“這是一個快速簡單的柔性器件組裝技術，可以加速不同功能和復雜度的柔性電子器件的研發。”
“我們這項研究為智能柔性電子器件的模塊化組裝提供了可拉伸、穩定高效的通用接口，不僅簡化了柔性醫療器件的使用，也加速了多模態、多功能的柔性醫療器件的研發。”劉志遠說，通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫療領域，如植入式人機接口、體表健康監測、智能柔性傳感、軟體機器人等。“不過，它也存在一定局限性，比如電導率優化、長期植入的生物相容性等。”
基于此，研究團隊接下來將從生物醫學、分子動力學、有機合成等領域出發，繼續研發下一代新型醫療器件的智能傳感材料，打造智能化、柔性化、交互式的人機接口傳感器件，應用于神經康復機器人及系統。
該成果是在深圳先進院神經工程中心研究員李光林主持的國家基金委重大科研儀器研制項目、劉志遠主持的國家重點研發計劃及神經工程研究中心的大力支持下，與南洋理工大學、斯坦福大學通力合作完成的，并得到了中科院人機智能協同系統重點實驗室和中科院健康信息學重點實驗室及平臺的支持。