中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，柔性電子器件在人體健康檢測與分析以及可穿戴設備等生物醫學(xué)工程領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。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易變形、斷裂，使得接口不穩定性成為該領(lǐng)域內長(cháng)期存在的難題，阻礙了整個(gè)器件的拉伸性和信號質(zhì)量。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、新加坡南洋理工大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)的科學(xué)家另辟蹊徑，繞開(kāi)利用“商業(yè)膠水”組裝柔性電子器件的思路，開(kāi)發(fā)了基于雙連續納米分散網(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，便可以實(shí)現“樂(lè )高式”的高效穩定組裝。2月15日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然》（Nature）上。
人機接口是人與電子設備之間進(jìn)行的數字虛擬世界和現實(shí)物理世界的信息交換，而柔性電子器件則是人機接口技術(shù)的關(guān)鍵核心和先導基礎。柔性電子器件在生物醫學(xué)工程領(lǐng)域的研究備受關(guān)注，大致可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(xué)信號等生理數據以監測人體健康狀態(tài)。然而，商用導電膠的瓶頸卻破壞了柔性電子器件的整體穩定性。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)合團隊發(fā)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(shí)有“魔術(shù)貼”式的電氣與機械雙重黏合特性，能夠將不同功能的柔性傳感器穩定地黏合在一起，從而實(shí)現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）熱塑性彈性體內部形成互穿納米結構，SEBS是廣泛應用于可拉伸電子產(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（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。這種界面結構在表面產(chǎn)生了暴露的SEBS和Au，在基體內部產(chǎn)生了互穿的Au納米顆粒，這為堅固的BIND連接提供了連續的機械和電氣途徑?？傊?，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備的開(kāi)發(fā)。實(shí)驗表明，采用新型接口的柔性醫療器件可高精度、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(jīng)、腓骨肌肉、膀胱等，比起商用導電膠組裝的系統信號質(zhì)量有大幅提升。
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%，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(zhì)模塊接口，其導電拉伸率達200%，并能適用于聚酰亞胺（PI）、玻璃、金屬等多種硬質(zhì)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。
該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(jiǎn)化了柔性醫療器件的使用，而且加速了多模態(tài)、多功能的柔性醫療器件的研發(fā)。通過(guò)該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個(gè)醫療領(lǐng)域，例如植入式人機接口、體表健康監測、智能柔性傳感、軟體機器人等。
研究工作得到國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、神經(jīng)工程研究中心、中科院人機智能協(xié)同系統重點(diǎn)實(shí)驗室、中科院健康信息學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室的支持。
可拉伸混合設備的BIND連接
研究團隊開(kāi)發(fā)的“魔術(shù)貼”式柔性組裝方法與在肌電監測中的應用實(shí)例
