【儀表網(wǎng) 產(chǎn)品快訊】近年來，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(yī)學工程領域展現(xiàn)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(wěn)定性成為該領域內長期存在的難題，阻礙了整個器件的拉伸性和信號質量。
中國科學院深圳先進技術研究院、新加坡南洋理工大學、美國斯坦福大學的科學家另辟蹊徑，繞開利用“商業(yè)膠水”組裝柔性電子器件的思路，開發(fā)了基于雙連續(xù)納米分散網(wǎng)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，便可以實現(xiàn)“樂高式”的高效穩(wěn)定組裝。2月15日，相關研究成果發(fā)表在《自然》(Nature)上。
人機接口是人與電子設備之間進行的數(shù)字虛擬世界和現(xiàn)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。柔性電子器件在生物醫(yī)學工程領域的研究備受關注，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、生物化學信號等生理數(shù)據(jù)以監(jiān)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(wěn)定性。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。
聯(lián)合團隊發(fā)現(xiàn)，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，能夠將不同功能的柔性傳感器穩(wěn)定地黏合在一起，從而實現(xiàn)柔性模塊與柔性模塊之間的高效連接。通過熱蒸發(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基質表面附近的納米顆粒形成了一個雙相層(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(xù)的機械和電氣途徑。總之，這種即插即用的接口可以簡化和加速皮膚上和可植入的可拉伸設備的開發(fā)。實驗表明，采用新型接口的柔性醫(yī)療器件可高精度、高保真、抗干擾地監(jiān)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(tǒng)信號質量有大幅提升。
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(tǒng)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(wěn)定高效的通用接口，不僅簡化了柔性醫(yī)療器件的使用，而且加速了多模態(tài)、多功能的柔性醫(yī)療器件的研發(fā)。通過該接口組裝的智能柔性傳感器件可用于多個醫(yī)療領域，例如植入式人機接口、體表健康監(jiān)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基金國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發(fā)計劃、神經(jīng)工程研究中心、中科院人機智能協(xié)同系統(tǒng)重點實驗室、中科院健康信息學重點實驗室的支持。
可拉伸混合設備的BIND連接
研究團隊開發(fā)的“魔術貼”式柔性組裝方法與在肌電監(jiān)測中的應用實例
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