特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。现状
可拉伸的混合装置是通过将几个模块连接在一起而组装的（图1a），主要分为三种基本类型：机械上与人的组织/皮肤或软体机器人相匹配的软体模块，由硅基微电子组成的刚性模块和用于保护的封装模块。这些模块具有不同的材料、形状因素和加工技术，通常是独立制造的，然后使用商业导电浆料（如导电膜和银浆）进行组装。然后由于浆料和模块之间的机械不匹配，组装后的连接在变形下会出现界面故障，这大大限制了可拉伸电子系统的复杂性和稳健性。
解决方案
基于此，新加坡南洋理工大学陈晓东教授、斯坦福大学鲍哲南教授以及中国科学院深圳先进技术研究院刘志远教授通过热蒸发金（Au）或银（Ag）纳米颗粒来创造了一种双相、纳米分散（BIND）接口，可以可靠地将软、硬和封装模块连接在一起，以即插即用的方式，无需使用浆料（图1b）。任何带有BIND接口的模块都可以简单地面对面地压在一起，在10秒内形成BIND连接（图1c）。这种界面结构在表面上产生了暴露的粘性苯乙烯-乙炔-丁烯-苯乙烯（SEBS）和Au，在基体内部产生了相互渗透的Au纳米粒子，这为强大的BIND连接提供了连续的机械和电气途径。论文以《A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices》题发表在Nature上。
机电性能
通过将两个BIND接口压在一起测试软-软BIND连接。与商业浆料相比，BIND连接显示出近三倍的电拉伸性和近十倍的机械拉伸性（图1d）。BIND连接在50%的应变下显示出不到四倍的相对阻力变化。BIND连接中衰减的应变浓度有助于其高电气伸展性。由于挤压时间、压力和剥落方向对连接件的粘接强度影响不大，即插即用的BIND连接非常容易形成和使用，只需用手指按压不到10 s。进一步测试软刚性BIND连接。与软-软连接类似，软-刚性BIND连接的相对电阻变化也较小(图1e)，与商用导电浆料连接相比，具有更高的电气(200%)和机械(800%)拉伸性能。软硬和软软BIND连接在拉伸、弯曲和扭转载荷下均表现出600次循环耐久性，之后的机械拉伸性能基本不变。此外，BIND接口还可以强连接封装模块。通过将SEBS封装层压在BIND接口上制备的软封装BIND连接进行了180°剥皮测试(图1f)。由于BIND界面上的表面暴露聚合物为封装层提供了结合区域，其界面韧性比传统封装大60倍。
结构分析
在纳米尺度上研究了它的表面和内部结构以理解BIND接口的即插即用特性。AFM显示了BIND界面表面暴露的聚合物和金属相(图2a)。聚合物与金属相的比例影响界面的宏观电学和力学性能，过量的聚合物相会产生高粘性但不导电的界面，而缺乏聚合物相则会使界面无粘性。进一步的横断面AFM显示BIND连接包含聚合物和金属的纳米级互穿网络，模拟发现：当Au轰击软化的SEBS时，穿透并在SEBS表面下形成独立的核。随着时间的推移，这些独立的金核在大小和深度上增长，最终在BIND界面上合并形成互穿的纳米结构。进一步使用俄歇电子能谱(AES)对每个蚀刻层界面内的聚合物和金属相进行了分析(图2c)。非导电界面上有深而稀疏的金纳米颗粒分布，而非粘附界面上有密集堆叠的金层，其表面几乎没有聚合物。相比：BIND界面表层含有聚合物和金属(图2d)，并在大约70个蚀刻循环中结束(图2e)。这种聚合物和金属的双连续路径决定了BIND界面的宏观电阻。此外，双相互穿结构允许BIND接口抵抗胶带剥离，而传统的PDMS-Au接口很容易呈现不导电(图2g)。
用于体内神经调节的BIND装置
使用BIND构建了用于体内神经调节的可拉伸设备以测试BIND连接在不同模块的即插即用组装中的实用性。通过即插即用的BIND连接将超薄保形模块连接到厚布线模块，其中两个模块都覆盖了BIND封装层(图3a)。对于体内神经调节，在去除支撑层之前，将BIND电极的超薄一端滑到神经或肌肉下，折叠并按压以固定电极(图3b)，这种超薄结构在布线区域容易弯曲避免间隙产生的信号丢失(图3c)，因此BIND电极显示出最低的基线噪声和最高的信噪比(SNR)(图3d-e)。此外，模块化BIND电极具有普遍适用性以及抗干扰性，如在体中经常遇到的机械干扰，如触摸和拖拽，对BIND电极的性能影响很小。总之，通过BIND连接实现的共形接触和持久的电极连接能够实现微妙的体内神经调节并获得高质量的信号。
图 3：通过即插即用BIND连接组装的体内神经调节可拉伸装置
BIND设备用于21通道皮肤肌电图
进一步组装了一个21通道皮肤肌电图(EMG) BIND设备以证明即插即用的BIND连接优于其他商业贴体。该装置由五个模块组成: 超薄保形电极、粗布线、PI PCB和两个封装层(图4a)。超薄电极采集的信号通过粗接线模块中继到定制的PI PCB上，PI PCB模块中的Si微电子进行信号处理、存储和传输。BIND电极能抵抗机械干扰。当用镊子钳对连接施加压力时(图4c)，BIND电极的信号仍然清晰(图4d)。此外，BIND电极在握拳前、握拳中和握拳后的信噪比较高，说明电极在压力下采集信号可靠(图4f)。除了压力，BIND接头还能承受高达50%的应变以及更高的信噪比。21通道BIND电极可以映射各种手势的EMG信号，包括手的动作、手指的动作和不同程度的最大自主收缩(图4g)。它在水下也能很好地工作，具有良好的抗机械干扰(图4h)，表明BIND连接可以将各种模块以即插即用的方式组装成复杂的可拉伸器件，具有高质量的信号和抗机械干扰。
图 4：使用即插即用BIND连接组装的21通道皮肤肌电图电极阵列
小结
总之，研究报告了一个高度可拉伸的BIND接口，它可以将软模块、刚性模块和封装模块集成在一起，以即插即用的方式形成可拉伸的混合设备，实现了具有高电拉伸性和机械拉伸性的软-软BIND连接。进一步表明，用于构建更复杂的21通道皮肤肌电图电极的即插即用BIND连接使我们能够收集高质量的肌电图信号，并具有抗机械干扰的能力。这种通过即插即用的BIND接口，构建具有不同功能和复杂性的可拉伸混合设备变得简单而快速，为皮肤上和植入式人机交互提供了无限的选择。https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-zYing Jiang et al. A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices.Nature614, 456–462 (2023).DOI：10.1038/s41586-022-05579-z
