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近日,《科普时报》发表了来自北京航空航天大学李宇航和清华大学吴坚教授的文章,报道介绍了清华大学冯雪教授领衔的柔性电子技术研究团队(国家重点研发计划“973”项目团队)经过5年攻关,提出了一系列新型可延展柔性光子/电子集成器件,揭示了电子器件与人体组织交互的科学原理,为未来远程医疗、脑机结合、远程互联网提供了全新的科学视角和解决方案。


全文转载如下:


人机新接口 柔性新器件

中国科学家研发新型可延展柔性光子/电子集成器件


如何又快又好地与人体进行信息沟通和信息互换,最近有了新方法。科研人员们开发了一系列柔性电子集成器件,用它们与人体组织直接贴附,可实现对人体体征信息的实时监测和检查。


清华大学教授冯雪领衔的柔性电子技术研究团队(国家重点研发计划“973”项目团队)经过5年攻关,提出了一系列新型可延展柔性光子/电子集成器件,揭示了电子器件与人体组织交互的科学原理,为未来远程医疗、脑机结合、远程互联网提供了全新的科学视角和解决方案。相关成果发表在Science Advances、Advanced Materials等国际权威杂志上。


以柔性电子器件为媒介,建立人与外界之间的信息传输系统


“人机交互”是一个有魔力的词语,是从人适应计算机到计算机不断地适应人的发展过程。从我们输入计算机信息表达我们的指令,到现在通过可延展柔性电子器件直接读取人体的信息传输到计算机系统处理后展示给我们。


那么什么是可延展柔性电子集成器件?在柔性衬底上大面积、大规模集成不同有机/无机材料体系、不同功能元器件,构成可拉伸/弯曲变形的柔性信息器件与系统,具有质量轻、形态可变、功能可重构的特点。


柔性电子器件贴附于人体皮肤表面 清华大学供图


这种技术融合了有机半导体和无机半导体技术的发展,使无机半导体器件具有可拉伸、可弯曲等变形特点,同时兼备传统无机集成器件和电路的高性能和高可靠性。柔性电子学颠覆性改变传统信息器件/系统的刚性物理形态,实现信息与人/物体/环境的高效共融,是后摩尔时代信息器件发展的最重要方向之一。


柔性电子概念的提出可追溯到对有机电子学的研究,大约起步于上世纪八十年代,人们试图用有机半导体替代硅等无机半导体,从而使得有机电子器件具备柔性特点,此类技术又称为塑料电子(Plastic Electronics)、印刷电子(Printed Electronics)、有机电子(Organic Electronics)、聚合体电子(Polymer Electronics)等。在随后的30年间,柔性有机电子技术蓬勃发展,部分成果初步形成产业,如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子皮肤贴(Skin Patches)等。


2006年,美国伊利诺伊大学的Rogers教授和西北大学的黄永刚教授课题组率先提出了可延展无机柔性电子的概念。他们将条带状硅薄膜转印到预拉伸的柔性衬底上,通过释放衬底所受的预拉变形,使得硅薄膜发生屈曲变成连续的波纹状,从而实现了在脆性硅薄膜不改变其电子学性能的情况下具有柔性和延展性,可以承受弯曲和拉伸等变形。随后又衍生出了一些更优的结构设计,使得电子器件的机械性能更加优良,可以承受拉伸、扭转、弯曲等复杂变形,例如:双向预应变释放所形成的人字形硅薄膜、岛桥结构、蛇形互连结构、分形互连结构等。


这种新型电子器件的刚度比人体组织要小很多,因此在贴附到人体组织上之后,不会造成人体的不舒适感。


可延展性能是它独到力学特性,人体器官组织的表面形貌非常复杂,如果器件不具有可延展性,是无法贴附在复杂柔软组织上的,但传统导线是不具备延展性的。这种新型器件通过合理的力学设计,可实现可延展性,并进一步实现与人体组织复杂表面的完全贴附。


这种电子器件的设计理念极大拓展了传统电子器件的应用范围可以通过集成探测温度、应变、加速度等传感元件在柔性电子器件上实现对人体体温、脉搏、呼吸、血氧、血糖等一系列体征信息的获取,并通过放大电路和无线传输技术,实时传输到外界终点并显示给使用者,让使用者快捷方便的了解自己的身体信息。


柔性电子技术在健康、医疗及重大装备等领域的突破应用


据联合国统计,到本世纪中期,中国将有近5亿人口超过60岁,而这个数字将超过美国人口总数。对于人体健康的关切成为未来社会需求的重要方向。世界卫生组织在《21世纪的挑战》报告中强调:“21世纪的医学,不应该继续以疾病为主要领域,应当以人的健康作为医学的主要发展方向。”医疗模式逐渐从以诊断为主转变为以预防为主,从疾病的治疗和管理转变为疾病的预防和健康管理,从住院方式治疗疾病转变为日常保健预防疾病。健康医疗模式的转变要求可与人体及其组织集成的器件,实现对生理信息动态实时的监测,并通过数据的无线网络实现远程医疗。


特别是针对老年人慢性疾病和婴幼儿体征的实时监测,成为这种新型医疗器件的重要应用。让更多的人可以通过远程医疗的方式实现身体健康监测,降低医疗成本,更加普及大众。


近期清华大学柔性电子技术团队针对人体血氧、血糖含量研制了基于皮肤贴附的柔性电子器件,主要针对糖尿病、血氧不足等疾病进行实时监测,这些成果分别发表在国际权威期刊Science Advances和Advanced Healthcare Materials(封面文章)上。同时也针对人体呼吸、睡眠、脉搏等生理监测制备了一系列新型柔性电子器件。



超薄类皮肤血糖、血氧、血压传感器 清华大学供图


除了上述理论研究工作上提出的新型器件,清华大学柔性电子技术团队也在不断努力实现产学研结合,将已制备的电子器件不断商用化,设计和大规模制备价格低廉、且能够监测人体体温和心电信息的柔性电子器件。目前这两款产品能够简单的贴附在人体皮肤表面,可反复使用,其中的心电贴在国际消费类电子产品展览会(International Consumer Electronics Show,简称CES)上被展览会官方评审团队评选为2018年CES创新奖,即年度杰出设计和工程的消费电子科技产品,该奖项在业界具有极高的声誉,是高新技术风向标。


除了在医疗领域外,该团队将柔性电子技术融入重大装备方面,并实现了突破性应用。高铁和飞机是国家制造业发展的重要领域,随着运行速度越来越快,面对的环境更加复杂,安全性成为突出问题,该团队成功地将柔性电子技术应用于高铁、飞行系统中,实现了同步监测,通过地面控制台同步实时持续稳定地获取运输、飞行状态,保障高铁和飞机的安全。


柔性电子技术让“万物互联”更进一步


目前,柔性电子技术实现信息获取、处理、传输、显示以及能源的柔性化,以其更好的生物兼容性实现“万物皆互联”,对未来的信息获取、处理、传输等形式产生颠覆性影响,必将在健康医疗、脑机融合、物联网等领域产生变革性推动作用。


柔性电子技术已成为世界范围内电子技术的研究热点。2000年,Science将柔性薄膜电子学与基因组学等并列为21世纪十大新兴科技。2010年,全球著名电子技术杂志《电子工程时代》(EE TIMES)也将柔性薄膜电子学列为“全球十大新兴技术”之一。在柔性电子技术的独特功能和用户最终的期望需求的驱动下,在众多应用领域柔性电子技术必将取代传统刚性电子技术。


尽管已经做出了一系列相关的成果,但这一领域的需求是非常广阔的,清华大学柔性电子技术团队还在致力于将电子学、光学、力学、材料学、热学、信息、人工智能等多学科科研工作者加入到柔性电子器件的设计、制备、应用中去,实现学科交叉融合,做出更有用、更便宜的柔性电子器件,更好地为社会和广大人民服务。


转载来源:

《科普时报》

http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjwzb/html/2019-05/31/content_422427.htm?div=1