《自然》《科学》两连发！鲍哲南团队打造新一代电子皮肤

▎药明康德内容团队编辑  

在不久的未来，我们可能会借助一块电子皮肤来帮助我们监测健康状况、筛查疾病。这样的场景并非遥不可及，但在现阶段，包括电子皮肤在内的可穿戴设备仍有不少技术问题需要解决。本周，斯坦福大学鲍哲南教授团队的两项成果相继刊登于《自然》《科学》杂志，从不同角度解决了这一领域的关键问题。

在发表于《自然》的论文中，鲍哲南教授带领团队开发出一款兼具高柔性、拉伸性、亮度以及机械稳定性的电子皮肤显示屏。

应用于皮肤时，理想的发光二极管（LED）显示屏应该是柔软、可伸缩的，且需要有足够的亮度。现有的设备多是基于无机材料打造，虽然可以通过添加弹性绝缘材料（例如橡胶）来提升整体的拉伸性，但这样的改变会降低导电性，因此需要施加危险的高电压才能获得较为黯淡的发光效果。

在最新研究中，鲍哲南教授团队解决了柔性电子皮肤的显示问题。研究团队开发了一种高亮度、可拉伸的全聚合物发光二极管（APLED）。

▲手指弯曲时，APLED依然能保持正常运作（图片来源：Zhitao Zhang and Jiancheng Lai of Bao Group Research Lab）

这个重要突破源于3年前的一项发现。当时，论文第一作者、鲍哲南实验室博士后张智涛发现了一种被称为“SuperYellow”的黄色发光聚合物：与一种弹性的聚氨酯混合后，形成的纳米结构不仅具有柔性，还能发出更亮的光。而且这种纳米材料不会阻碍电流通过，因此发光亮度不受影响。

在SuperYellow的基础上，研究团队运用同样的思路开发出红色、绿色、蓝色的发光材料。为了构建APLED，研究团队通过不断优化，设计出一款以发光层为核心的7层结构显示屏。此外，为了维持长时间的正常功能，作者使用了一种拉伸性的无线能量捕获系统，通过无线电波为APLED供能。

随后的实验显示，这款APLED可以附着于手指或是手臂表面，即使手臂或手指弯曲，屏幕也能保持正常工作。论文指出，APLED的亮度至少是手机屏幕的两倍，并且即使在材料拉伸至原始长度两倍时，也能维持性能。

▲APLED在手指与手臂上的显示效果（图片来源：参考资料[1]）

APLED的出现是可伸缩显示器的重要突破，为电子皮肤的研发奠定了坚实的基础。此外，APLED还拥有更广阔的应用前景，例如打造可变形的交互式屏幕，甚至是在地图上形成三维景观。

APLED有机会让我们更清晰地看见电子皮肤的数据，而另一篇发表于《科学》杂志的最新论文，则拓展了生物电子设备在活体内的应用场景。

基于柔性导电有机材料的生物电子设备，被认为是实现人机交互的理想界面。这些可植入或穿戴式的设备对于开发下一代生物医学设备十分重要，能帮助我们监测多种生理信号，例如神经或心血管的活动，并修复假肢的感觉运动功能。

不过，这种设备需要兼具的力学和电学性质，却往往是不兼容的。因此，构建这样的材料充满了挑战。在生物体内，现有设备的性能往往会逐渐下降。鲍哲南团队另辟蹊径，通过一种基于拓扑超分子网络的工程技术策略，在导电性高分子材料中加入拓扑网络，最终带来了生物电子领域的重要进展：他们设计的聚合物具有生物相容性、高度拉伸性、高度导电性，并且有着牢固的机械力学性质。

▲这种可拉伸的电子设备可用于监测多种生理活动（图片来源：参考资料[2]）

为了验证这一系统在生物体内的可行性，研究团队在活体生物体内开展了两项实验：他们利用由这种材料制成的传感器，从活体章鱼柔软、高度可变形的身体中收集到稳定的肌肉电信号，这也是科学家首次记录下章鱼的肌肉信号，为其在软体机器人中的应用奠定了基础；此外，将设备植入大鼠体内后，在大鼠精细的脑干组织上，以单个神经元的精度实现了局部的神经调节，验证了其在脑外科手术中的应用潜力。

鲍哲南教授团队的这项工作，通过新方法构建了高度可拉伸的导电聚合物。这种材料能够对活体组织进行精准的监测，并为开发下一代生物电子设备奠定了基础。

参考资料：

[1] Zhang, Z., Wang, W., Jiang, Y. et al. High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04400-1

[2] Yuanwen Jiang et al. Topological supramolecular network enabled high-conductivity, stretchable organic bioelectronics. Science (2022). DOI: 10.1126/science.abj7564

[3] A stretchy display for shapable electronics. Retrieved Mar. 23, 2022, from https://www.eurekalert.org/news-releases/947103

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