作者｜沈春蕾
北京時間3月24日和25日，美國斯坦福大學(xué)工程學(xué)院化工系主任鮑哲南團(tuán)隊(duì)接連在Nature和Science發(fā)文，介紹了一款可拉伸的顯示器和一種制作電子皮膚的新方法。
兩篇論文的一作是兩位年輕的華人學(xué)者：張智濤和蔣圓聞，目前他們都在斯坦福大學(xué)從事博士后研究工作。鮑哲南是兩篇論文的通訊作者，她是全球柔性電子皮膚研究的領(lǐng)軍人物，也是美國工程院院士，并在2021年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士、美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。
“真的很巧，兩家出版社在近乎同一時間發(fā)表了我們的成果。”當(dāng)《中國科學(xué)報》問及投稿期刊和發(fā)表時間時，鮑哲南表示，“很高興我們的研究能得到Nature和Science編審的認(rèn)可，也期待更多讀者的關(guān)注。”
在“皮膚”上顯示健康指數(shù)
手機(jī)或電腦的顯示器可以很薄、很軟，就像皮膚一樣，貼在手臂上，甚至可以實(shí)時顯示人體健康指數(shù)……
張智濤興奮地向《中國科學(xué)報》介紹了他在Nature發(fā)表的最新研究成果，并肯定地表示，未來這些應(yīng)用都將實(shí)現(xiàn)。
這是一項(xiàng)歷時3年的研究成果，研究人員最初的設(shè)想是做一款電子皮膚顯示器，形成電子皮膚和人們之間的交互界面。這也對技術(shù)指標(biāo)提出了苛刻的要求，如高柔軟性、高拉伸性、高亮度如何兼得。
電子顯示需要用到發(fā)光材料，但現(xiàn)有的發(fā)光材料大多是共軛聚合物發(fā)光材料，其拉伸性能較差，材料內(nèi)部存在大量電子陷阱，無法滿足高亮度發(fā)光器件的制備需求。
為了讓電子顯示器有良好的柔軟性和拉伸性，傳統(tǒng)的解決方案是，將納米材料嵌入到彈性聚合物基質(zhì)中，或者在小的剛性單元之間引入可拉伸的橋梁結(jié)構(gòu)。
研究顯示，這些方案勢必要犧牲發(fā)光器件的亮度、驅(qū)動電壓、拉伸性以及分辨率等。如果能找到一款自身具有拉伸性的聚合物材料，上述難題也將不復(fù)存在。
尋找這樣的材料并不容易。張智濤告訴《中國科學(xué)報》：“我嘗試了很多辦法都沒能有效提高拉伸性能。發(fā)光薄膜在拉伸的情況下很容易斷裂，發(fā)光性能也受到嚴(yán)重影響。”
在反復(fù)思考驗(yàn)證后，張智濤發(fā)現(xiàn)一種名為SuperYellow的黃色發(fā)光聚合物與聚氨酯（一種彈性塑料）混合時，不僅變得柔軟而有韌性，還會發(fā)出更明亮的光。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和結(jié)果都很不錯，張智濤卻無法解釋出現(xiàn)這樣結(jié)果的內(nèi)部原因。鮑哲南給出建議，可以通過做詳細(xì)電學(xué)和光學(xué)表征來進(jìn)行研究和證明。
除了聚合物發(fā)光材料的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)研究的另一個亮點(diǎn)是多層器件結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。張智濤通過優(yōu)化發(fā)光器件中每一層材料，最終得到了高亮度的可拉伸全聚合物發(fā)光二極管。
來自斯坦福大學(xué)的消息稱，利用該材料制成的顯示設(shè)備最大亮度至少是手機(jī)的兩倍，并且可以拉伸到原始長度的兩倍而不撕裂。
鮑哲南對這項(xiàng)研究成果的評價是：“由此誕生的新型顯示設(shè)備不僅能顯示我們需要的信息，還能讓我們與信息進(jìn)行直接交互，比如顯示設(shè)備可以根據(jù)我們發(fā)出的指令做出響應(yīng)。”
首次記錄章魚的肌肉信號
蔣圓聞發(fā)表在Science的研究突破，則與章魚有關(guān)。
他們利用具有高拉伸性和高密度的導(dǎo)電材料，首次記錄了章魚觸腳運(yùn)動過程中的精細(xì)肌肉信號。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，傳統(tǒng)的硬質(zhì)電極材料連保持穩(wěn)定接觸都做不到。
“這是我很喜歡的一項(xiàng)研究，因?yàn)樗芎玫卦忈屃嘶瘜W(xué)之美，并且展示了通過材料創(chuàng)新，我們可以開辟新的應(yīng)用場景，尤其是在神經(jīng)工程等新興領(lǐng)域上。”鮑哲南對蔣圓聞等人的研究給出了自己的評價。
在早期的研究工作中，為了突破現(xiàn)有導(dǎo)電材料無法綜合兼顧力學(xué)和電學(xué)性能的瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了一次次失敗后，最終設(shè)計(jì)出更為合理有效的結(jié)構(gòu)——在導(dǎo)電高分子材料中引入了拓?fù)浣宦?lián)網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的高拉伸性、高導(dǎo)電性和高分辨光圖案化的性能優(yōu)勢。
“在尋找生物應(yīng)用過程中，我們早期比較專注于在人體皮膚測試表面肌電。雖然結(jié)果還不錯，但并不能完全突出我們器件的全部優(yōu)勢。”蔣圓聞告訴《中國科學(xué)報》。
從人體到軟體，這是鮑哲南給蔣圓聞的提議：“可以考慮在其他更需要柔性設(shè)備的方向上進(jìn)行嘗試。”
“鮑老師給我們指出了很關(guān)鍵的研究方向。”隨后，蔣圓聞在軟體動物上進(jìn)行了測試，并發(fā)現(xiàn)不僅可以直接突出柔性可拉伸器件的優(yōu)勢，整個應(yīng)用還更具有說服力。
在實(shí)驗(yàn)中，蔣圓聞選擇了具有代表性的軟體動物——章魚，并首次記錄了章魚觸腳運(yùn)動過程中的精細(xì)肌肉信號。利用獲得的高質(zhì)量電生理信號，研究人員可以對軟體動物獨(dú)特的分布式智能系統(tǒng)進(jìn)行更深一步的解碼研究，有望研制出更加智能的人造軟體機(jī)器人。
這條章魚給蔣圓聞帶來了全新的思路和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，就像蔣圓聞所說：“最終的結(jié)果都是一開始無法預(yù)測的。”
在隨后的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一系列過去難以實(shí)現(xiàn)的生物醫(yī)療應(yīng)用，特別是針對柔軟且精細(xì)的組織，包括以高分辨率穩(wěn)定記錄軟體動物的肌肉信號，以及通過腦干實(shí)現(xiàn)單核團(tuán)級別精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控。
研究團(tuán)隊(duì)選用大鼠來模擬腦外科手術(shù)，首次將該材料制備的神經(jīng)電極運(yùn)用在腦干等不規(guī)則并且高度易損傷的區(qū)域，并通過電極陣列精準(zhǔn)定位到單個神經(jīng)元的精度，以熱圖的形式快速且準(zhǔn)確地勾勒腦干神經(jīng)核團(tuán)。
未來，這款神經(jīng)電極有望成為腦外科手術(shù)的好幫手，也有望為腦機(jī)接口提供新的方案。
柔性電子材料讓夢想成真
《中國科學(xué)報》獲悉，張智濤即將回國組建自己研究團(tuán)隊(duì)。這幾年在鮑哲南課題組的工作經(jīng)歷讓他感觸頗深：“博士后階段的工作將成為我邁向獨(dú)立PI的重要一步，不僅培養(yǎng)了我獨(dú)立思考和解決問題的能力，還學(xué)會主動去尋找身邊的合作者。課題組的成員來自不同國家，擁有不同的研究背景，合作更加方便。”
對此，蔣圓聞也表示認(rèn)同。他博士畢業(yè)于芝加哥大學(xué)化學(xué)系，期間經(jīng)歷了一個實(shí)驗(yàn)室從零開始搭建的全過程。加入鮑哲南課題組后，他也來到了一個更大的實(shí)驗(yàn)室，鍛煉了自己和不同領(lǐng)域的專家協(xié)同合作的能力。
張智濤和蔣圓聞也是對方論文的共同一作。
心有多大舞臺就有多大。從十多年前專注傳感器的研究，到如今聚焦人造電子皮膚的研究，鮑哲南希望人們借助人造電子皮膚，不僅可以觸摸到事物，還能感知并看見。
她曾在演講中提到，未來的手機(jī)功能將融入到人們所穿的衣服、貼在身上的電子透明膜，甚至是植入到體內(nèi)的電子器件中。
實(shí)現(xiàn)這一夢想的關(guān)鍵在于材料。
“我們團(tuán)隊(duì)花了很長時間才開發(fā)出這種材料，該材料讓未來的可拉伸電子產(chǎn)品的出現(xiàn)成為可能，其中透明的可拉伸導(dǎo)體是關(guān)鍵部件。”鮑哲南告訴《中國科學(xué)報》，“為了改進(jìn)這種材料，我們還有很多工作要做。”
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj7564
標(biāo)簽： Nature Science 鮑哲南團(tuán)隊(duì)
