超燃！2020年柔性电子领域发表9篇Nature、Science

柔性电子（Flexible Electronics）是一种技术的通称，是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子，柔性电子具有更大的灵活性，能够在一定程度上适应不同的工作环境，满足设备的形变要求。柔性电子涵盖有机电子、塑料电子、生物电子、纳米电子、印刷电子等，包括RFID、柔性显示、有机电致发光(OLED)显示与照明、化学与生物传感器、柔性光伏、柔性逻辑与存储、柔性电池、可穿戴设备等多种应用。随着其快速的发展，涉及到的领域也进一步扩展，目前已经成为交叉学科中的研究热点之一。

下面汇总了2020年柔性电子领域发表的8篇Nature、Science文章，供大家学习参考。

Science：纳米网格压力传感器在不干预感知能力的情况下监控手指操作

监测手指触觉而不干扰固有功能是自然触觉的关键。然而，佩戴或附着的传感器会影响皮肤的自然感觉。日本东京大学Takao Someya团队开发了纳米网格压力传感器，该传感器由多层导电和电介质纳米网状结构组成，可以在制造过程中直接层压在人体皮肤上。可以监测手指压力，而不会对人体感觉产生明显影响。定量研究了传感器对人体感觉的影响，应用传感器的手指显示出与裸手指相当的握力，即使附着一个2微米厚的聚合物薄膜，结果在调整摩擦后，抓地力增加了14%。与此同时, 该传感器对周期性剪切和摩擦表现出了极强的机械耐久性。相关研究以“Nanomesh pressure sensor for monitoring finger manipulation without sensory interference”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.abc9735

图1纳米网格压力传感器的结构

Science：可拉伸的分布式光纤传感器

硅基分布式光纤传感器(DFOS)系统已经成为一种强大的工具，用于传感不可扩展结构中的应变、压力、振动、加速度、温度和湿度。然而，DFOS系统与与软机器人和可拉伸电子产品相关的大应变不兼容。康奈尔大学Hedan Bai，ShuoLi和Robert F. Shepherd教授团队开发了一种由弹性体光导的平行组件组成的传感器，其中包含连续或离散的彩色图案。通过利用完全内部反射和吸收的组合，可拉伸DFOSs可以区分和测量位置、震级和模式(拉伸、弯曲或挤压)的机械变形。研究进一步演示了多位置解耦和多模态变形解耦，通过一种可拉伸的DFOS集成无线手套，该手套可以同时配置所有类型的手指关节运动和外部按压，而只需要一个实时传感器。相关研究以“Stretchable distributed fiber-optic sensors”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aba5504

图2 纤薄一体化手套和多关节弯曲生理感受

Science：用于探测微弱可见光的大面积低噪声柔性有机光电二极管

硅光电二极管是光探测技术的基础。然而，它们的刚性结构和低成本的区域扩展限制了它们在一些新兴应用中的应用。乔治亚理工学院Canek Fuentes-Hernandez、Bernard Kippelen教授等人报道了一种详细的方法表征基于聚合物体异质结的有机光电二极管，揭示了电荷收集电极对低频电子噪声的影响。在可见光谱范围内，优化后的有机光电二极管在所有指标上都可以与低噪声硅光电二极管相媲美，除了响应时间(仍然与视频速率兼容)。溶液型有机光敏二极管可以提供生物特征监测应用，如使用具有硅级性能的环形、大面积、灵活的有机光电二极管。相关研究以“Large-area low-noise flexible organic photodiodes for detecting faint visible light”为题目，发表在Science上 。DOI: 10.1126/science.aba2624

图3 Flex-OPDs及其在PPG中的应用

Science：阴离子和阳离子聚合物网络之间的离子弹性体连接

软离子导体已使可拉伸且透明的设备成为可能，但是此类设备中的液体往往会泄漏和蒸发。在这项研究中，美国马萨诸塞大学Ryan C. Hayward教授和哈佛大学 Zhigang Suo教授演示了使用无液体离子弹性体的二极管和晶体管，其中阴离子或阳离子固定在弹性体网络上，其他离子种类可移动。极性相反的两种离子弹性体的连接产生离子双层，该双层能够在不发生电化学反应的情况下整流和切换离子电流。熵驱使可移动离子耗尽，从而形成结实的结合点，结合点的可拉伸性使机电转换成为可能。可变形离子结的机械-电响应为实现刺激响应和可调谐整流提供了一条很有前途的道路。相关研究以“Ionoelastomer junctions between polymer networks of fixed anions and cations”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay8467

图4 在两个带相反电荷的离子弹性体的界面上形成IDL

Science：基于离子弛豫动力学的人工多模式受体

人类皮肤有不同类型的触觉感受器，可以区分不同的机械刺激和温度。近日，韩国浦项滚球体育 大学Unyong Jeong教授与美国斯坦福大学教授鲍哲南提出了一种可变形的人工多模态离子受体，可以区分热和机械信息而不受信号干扰。通过对离子弛豫动力学的分析，导出了两个变量:电荷弛豫时间作为测量绝对温度的不敏感内因变量和归一化电容作为测量应变的不敏感外因变量。该人工感受器具有简单的电极-电解质-电极结构，通过在两个测量频率下测量变量，同时检测温度和应变。类似人体皮肤的多模态受体阵列，称为多模态离子电子皮肤(IE^M-skin)，提供各种触觉运动(剪切、挤压、伸展、扭转等)中的实时力方向和应变剖面。相关研究以“Artificial multimodal receptors based on ion relaxation dynamics”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aba5132

图5 IE^M-skin结构及其对单向剪力的响应

Science:功能材料在活细胞、组织和动物中的基因定向化学组装

多细胞生物系统(如大脑)的结构和功能复杂性超出了人类的设计和组装能力。活体组织中的细胞可以被用来构建合成材料或结构，如果按照解剖学上的定义来处理特定化学，利用生物学来组装复杂的功能结构。通过整合工程酶靶向和聚合物化学，斯坦福大学鲍哲南教授、Karl Deisseroth教授等人从基因上指示特定的活神经元来指导在质膜上的电功能(导电或绝缘)聚合物的化学合成。电生理和行为分析证实，合理设计、基因定向组装的功能聚合物不仅保留了神经活性，而且实现了膜性质的重塑，调节了自由移动动物的细胞类型特异性行为。这种方法可以在生命系统中创造出多样、复杂和有功能的结构和材料。相关研究以“Genetically targeted chemical assembly of functional materials in living cells, tissues, and animals”为题目，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aay4866

图6 细胞内功能材料的基因靶向化学组装

Nature：利用蛋白质纳米线从潮湿环境中发电

从环境中收集能量为自持系统提供了清洁能源的希望，诸如太阳能电池、热电设备和机械发电机之类的已知技术具有特定的环境要求，这些要求限制了它们的部署位置，并限制了其连续发电的潜力。大气湿度无处不在提供了另一种选择，但是，由于缺乏持续的转换机制，现有的基于水分的能量收集技术只能在周围环境中产生间歇性的，短暂的（短于50秒的）能量爆发。美国麻省理工学院的Derek R. Lovley教授 和Jun Yao教授等人证明了由从硫还原微生物中获得的纳米级蛋白质线制成的薄膜设备可以在环境中产生连续的电力。这些器件在7um厚的薄膜上产生约0.5V的持续电压，电流密度约为每平方厘米17mA。研究发现，这种能量产生的驱动力是当薄膜暴露于空气中自然存在的湿气时在薄膜内形成的自我维持的水分梯度，线性连接多个设备会按比例放大电压和电流，以连接电子设备。结果表明，与其他可持续方法相比，连续性能源收集策略的可行性受到位置或环境条件的限制较小。相关研究以“Power generation from ambient humidity using protein nanowires ”为题，发表在Nature上。DOI:10.1038/s41586-020-2010-9

图7 纳米线设备和电力输出示意图

Nature：具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼

人眼具有特殊的图像感知特性，如极宽的视场、高分辨率和低像差的灵敏度。具有这样特征的仿生眼睛是非常可取的，特别是在机器人和视觉假肢领域。然而，生物眼的球形和视网膜对仿生器件的制造构成了巨大的挑战。这里香港滚球体育 大学范智勇教授团队展示了一只电化学眼睛，它有一个由高密度纳米线阵列组成的半球形视网膜，模仿人类视网膜上的光感受器。该设备的设计与人眼的结构高度相似，当单个纳米线被电化学感应处理时，有可能实现高成像分辨率。此外，通过重建投射到器件上的光学图形来演示了仿生器件的图像传感功能。这项工作可能导致仿生光敏器件在广泛的技术应用中找到用途。相关研究以“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-020-2285-x

图8 EC-EYE的结构

Nature：超灵敏、高弹性的应变传感器

对于以人为中心的设备和系统来说，软机器是一个很有前途的设计范例。为了使软机器能够智能地响应周围环境，需要顺应的感觉反馈机制。具体地说，应变计的软替代品，即在低应变（不到5%）下具有高分辨率，有望释放软系统中有前途的新功能。然而，目前可用的传感机制通常要么具有高应变敏感性，要么具有高机械弹性，而非两者兼具。弹性和顺应性超灵敏传感机制的缺乏严重限制了其在实验室环境下的运行，并阻碍了它们的商业化。美国哈佛大学 Robert J. Wood、Oluwaseun A. Araromi教授等人基于各向异性电阻结构(SCAR)中应变介导的接触，提出了一种具有高机械弹性的高灵敏度应变检测的通用且柔性的传感机制。该机制依赖于由可拉伸薄膜封装的刚性、微结构、各向异性导电曲流之间欧姆接触的变化。该机构实现了高灵敏度，测量系数大于85000，同时适用于高强度导体，从而产生抗恶劣加载条件的传感器。传感机构也表现出高线性度，以及对弯曲和扭转变形不敏感，这些特性对于软器件的应用是重要的。为了演示技术的潜在影响，构建了一个集成传感器的、轻量级的、基于纺织品的臂套，它可以识别手势而不妨碍手。通过检测手臂上的小肌肉运动，演示了离散手势和连续手部运动的预测跟踪和分类。研究展示了SCARS技术在开发可穿戴的生物力学反馈系统和人机界面方面的潜力。相关研究以“Ultra-sensitive and resilient compliant strain gauges for soft machines”为题目，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-020-2892-6

图9 基于纺织品的传感器集成套筒的手部运动检测演示

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