斯坦福鲍哲南团队开发出柔性电极：让可穿戴装置变得像面板一样柔软

2017-03-19 CINNO

可穿戴装置越来越多地渗透到我们的生活当中，这些智能装置离不开电路的支撑。可是如果这些贴身的装置当中，藏着一根根僵硬的电路，使用起来的舒适度就会大打折扣。

化学工程师鲍哲南教授正在试图改变这种状况。对于这种状况，选择柔性电极是一个很自然自然的思路。

十多年来，她的实验室一直想致力于让电子产品变得更加柔软灵活，就像人体的第二层面板。他们想让脆性塑料变得导电性更好、更有弹性。

近日，鲍哲南教授在《科学进展》杂志上发表了他们最新的成果。论文描述了一种脆性塑料，可以通过化学方法让它向橡皮筋一样弯曲，并且略微提高了它的导电性。结果就是一个柔软而灵活的电极，与我们柔软、脆弱的神经非常契合，也就是说，这样的电路在我们的体表，我们面板的神经不会感到很不舒服。

鲍哲南教授对这项成果感到非常激动：

这种灵活的电极开辟许多新的可能性，比如说大脑接口（ brain interfaces），以及其他植入式电子（implantable electronics）方面。

据新华社报道，鲍哲南在接受采访时说，现有的包括电极和材料在内的电子器件都是硬的，在测量中枢神经电流、心脏电流时，植入大脑或心脏的电极可能损坏神经或心脏组织。因此，跟神经接触的电极需要像面板一样柔软，这是柔性电子应用需要解决的重要问题。

这种材料可以像橡皮筋一样弯曲

目前，这种材料还是一种实验室原型。但是该团队希望长期关注这方面的进展，来建立对人体友好的更灵活的材料。

他们的实验过程自然也充满了波折。

为了建立这个灵活的电极，研究人员最初选中了一种塑料，它有两个基本特性：

高导电性和生物兼容性，这意味着它可以安全地带入与人体接触。但这种塑料有一个致命的缺点，就是非常脆弱，拉伸5%就可以将其破坏。

为了保持导电率的同时增加灵活性，鲍哲南的团队曾与SLAC国家加速器实验室（SLAC National AcceleratorLaboratory）合作，用一种特殊类型的X射线，在分子层面研究这种材料。补充一些化学的基本知识，所有的塑料都是高分子聚合物，也就说分子链会像珠子一样串在一起。

在这个实验当中，这种塑料是由两种不同的聚合物紧紧缠绕在一起组成。其中一个是导电体，另一个是实验当中必不可少的一种塑料。这两种聚合物结合在一起，创造了一种新的塑料，从外形上看是脆性、球状结构的链条。然而结果并不理想，这种材料导电，但是并不灵活。

此后，研究人员推测，如果他们可以找到合适的分子新增剂，分离这两个紧紧缠绕的化合物，他们就可以防止它们结晶，并且让这种塑料有更大的延展性。但是他们必须小心谨慎，因为新增材料后，导体的导电性通常会削弱其传输讯号的能力。

在测试了20多种材料之后，他们终于找到了理想的材料。这是一种分子，类似于工业厨房当中的那种调制浓汤的新增剂。这种新增剂可以让脆弱而厚实的分子结构，变成有孔的鱼网链，可以拉伸、变形。

测试这种新材料时，他们很兴奋地发现，这种材料可以拉伸到原来长度的两倍。塑料即使拉伸到自然长度下的800%，导电性仍然非常良好。

“我们认为，如果我们在其中增加绝缘材料，最终的导电率将非常可怜，特别是当我们新增了这么多之后。”鲍哲南说。不过由于他们对调整分子组装的精确理解，最终做到了两全其美：既保证了尽可能高的导电率，同时又有弹性、韧性俱佳的材料。

鲍哲南团队在测试这种材料的弹性，用这种材料往机器人测试仪器的球面上逐渐下压，从图中可以这种材料弹性很高，而且几乎是透明的

实验室的一名博士后研究员王月（音译，Yue Wang）说，这种材料就像面板一样柔软。

此外，值得一提的是，这种材料特别轻，透光率也达到了96%。

据新华社报道，鲍哲南表示，下一步将会验证这种材料是否可以植入生物体，以及会不会对生物体造成损害。

相比于一些过于天马行空的实验室的设想，这项发明有着更明朗的应用场景。希望这项技术早日成熟落地，实现商业化。让我们的可穿戴装置早点摆脱僵硬电路的束缚。

鲍哲南，女，1970年11月出生于江苏南京，现执教于美国斯坦福大学化学工程系。在制造用于柔性薄型显示器的全塑晶体管的新型高性能有机、高分子半导体材料方面，鲍教授作出了突出的贡献。她开拓了高电荷迁移性质的聚合物半导体和空气中稳定的有机半导体材料的分子设计原理，这些材料可以采用溶液喷涂或印刷技术进行处理。

她采用新的印刷技术制造了第一例高性能单晶有机半导体场效应晶体管，性能堪比无定型硅晶体管。她还创造了世界上第一例用有机晶体管驱动的全新结构的电子纸。

2015年，因柔性人造皮肤开发，入选《自然》（Nature）杂志2015年度对全球科学界产生重大影响的十大人物。