像“乐高积木”一样轻松组装可拉伸电子设备！

以下文章来源于高分子科学前沿 ，作者高分子科学前沿

可拉伸的混合设备已经实现了对生理信号的高保真植入和皮肤上的监测。这些设备通常包含符合人类和软体机器人的机械要求的软体模块，包含硅基微电子的刚性模块和保护性封装模块。为了使这样的系统符合机械要求，模块之间的互连需要容忍可能限制其伸展的应力集中，并最终导致脱胶失败。制造易于组装的可拉伸设备而不影响其在压力下的强度和可靠性一直是限制其发展的长期挑战。

鉴于此，新加坡南洋理工大学陈晓东教授、斯坦福大学鲍哲南教授以及中国科学院深圳先进技术研究院刘志远教授联合报告了一种通用接口，只需要10秒，可以将软、硬和封装模块可靠地连接在一起，以即插即用的方式形成坚固和高度可拉伸电子设备。该双相纳米分散(BIND)接口由相互渗透的聚合物和金属纳米结构组成，通过简单的按压而不使用浆料来连接模块。它的形成由一个双相网络生长模型来描述。就像用乐高积木搭建结构一样，只需将带有 BIND 接口的任何模块压在一起，即可组装出高性能的可拉伸设备。通过这种界面连接的软-软模块分别实现了600%和180%的机械和电气伸展性。软的和硬的模块也可以用上述接口进行电连接。用这种接口对软体模块进行封装，具有很强的粘性，界面韧性为0.24 Nmm-1。作为一个概念验证，研究人员用这种接口组装可拉伸的设备，用于体内神经调节和皮肤上的肌电图，具有很高的信号质量和机械阻力。研究人员期望这样一个即插即用的接口能够简化并加速皮肤上和植入式可拉伸设备的开发。相关研究成果以题为“A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices”发表在最新一期《Nature》期刊上。

【BIND接口的制备与性能】

可拉伸的混合装置是通过将几个模块连接在一起而组装的（图1a）。它们可以分为三种基本类型：在机械上与人类组织/皮肤或软体机器人相匹配的软体模块、由硅基微电子组成的刚性模块和用于保护的封装模块。作者创建了BIND接口，可以以即插即用的方式可靠地将软、硬和封装模块连接在一起，无需使用粘贴（图1b）。因为接口的纳米结构提供了机械连接（通过聚合物）和连续的电连接（通过纳米粒子），所以任何带有BIND接口的模块都可以在不到10秒的时间内简单地面对面压在一起以形成BIND连接（图1c）。

具体而言，该BIND界面使用两种互穿材料制成：一种柔软的非导电弹性聚合物基质（自粘性苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯 (SEBS) 热塑性弹性），以及完全嵌入聚合物或部分暴露在聚合物表面的导电金属纳米粒子（金 (Au) 或银 (Ag) 纳米粒子）。

图 1. 可伸缩混合设备的 BIND 连接

在实验中，通过接口连接的模块表现出了优异的性能。在进行拉伸测试时，模块在断裂前能够承受高达原始长度七倍的拉伸。此外，模块的电传输在拉伸时仍保持其原始长度的2.8 倍。BIND 界面还使用标准剥离粘合测试评估了其界面韧性，其中通过以 180° 的恒定速度将其拉开来测试两个模块之间的粘合强度。对于封装模块，研究人员发现创新技术比传统连接器坚固 60 倍。

【BIND接口结构分析】

为了了解BIND接口的即插即用特性，研究人员在纳米尺度上研究了它的表面和内部结构。基于实验数据和分子动力学模拟的BIND界面形成中的纳米力学过程，作者提出了一个双相网络生长模型来描述它。当Au原子轰击软化的SEBS时，它们会穿透并在SEBS表面下方形成独立的原子核。随着时间的推移，这些独立的Au核在大小和深度上不断增长，最终在BIND界面中结合形成相互穿插的纳米结构（图2）。

图 2. BIND 接口和连接的结构分析

【应用】

为了证明在现实生活中使用的可行性，研究人员使用BIND接口构建了可拉伸设备，并在大鼠模型和人体皮肤上进行了测试。

当连接到大鼠模型时，尽管线路受到干扰，例如触摸和拉动，但来自可拉伸监测设备的记录显示可靠的信号质量。当贴在人体皮肤上时，该设备会收集高质量的肌电图(EMG)信号，这些信号可以测量肌肉在肌肉收缩和放松过程中产生的电活动，甚至在水下也是如此。

图 3. 通过即插即用 BIND 连接组装的体内神经调节可伸缩装置

图 4. 使用即插即用 BIND 连接组装的 21 通道皮肤 EMG 电极阵列

【未来发展方向】

在组装可拉伸设备中使用 BIND 接口与各种导电材料、模块配置和组装环境兼容。该接口有许多潜在的应用，它可以将可拉伸电子器件从今天的专门设计转向可在一系列设备中运行的模块化系统，从而最大限度地提高生产力和开发效率。一个限制是，一旦形成，BIND连接就不能在没有损害的情况下分离，这是因为两个连接的界面之间的分子段扩散。这意味着重复使用单个模块的能力，以及设备组装过程对故障的容忍度都受到限制。BIND连接处相对较低的导电性也阻碍了它们在需要最小化电力的低能量设备中的使用。此外，BIND连接的空间分辨率相对较低（线宽约为100微米）；因此，为了实现需要高分辨率的功能，需要一个更紧凑的金属纳米结构--同时需要设备来自动对齐多通道接口。

研究人员希望探索如何将BIND接口平台与其他低成本和大规模的制造技术相结合。未来研究的其他关键路线包括开发可逆性的粘合材料和利用更多的导电材料，如液态金属，以降低功率消耗。

来源：高分子科学前沿

转自：“i学术i科研”微信公众号

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