北京時間3月24日和25日，美國斯坦福大學工程學院化工系主任鮑哲南團隊接連在Nature和Science發文，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者：張智濤和蔣圓聞，目前他們都在斯坦福大學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軍人物，也是美國工程院院士，并在2021年當選為中國科學院外籍院士、美國藝術與科學院院士。
“真的很巧，兩家出版社在近乎同一時間發表了我們的成果。”當《中國科學報》問及投稿期刊和發表時間時，鮑哲南表示，“很高興我們的研究能得到Nature和Science編審的認可，也期待更多讀者的關注。”
在“皮膚”上顯示健康指數
手機或電腦的顯示器可以很薄、很軟，就像皮膚一樣，貼在手臂上，甚至可以實時顯示人體健康指數……
張智濤興奮地向《中國科學報》介紹了他在Nature發表的最新研究成果，并肯定地表示，未來這些應用都將實現。
這是一項歷時3年的研究成果，研究人員最初的設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。這也對技術指標提出了苛刻的要求，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光材料，但現有的發光材料大多是共軛聚合物發光材料，其拉伸性能較差，材料內部存在大量電子陷阱，無法滿足高亮度發光器件的制備需求。
為了讓電子顯示器有良好的柔軟性和拉伸性，傳統的解決方案是，將納米材料嵌入到彈性聚合物基質中，或者在小的剛性單元之間引入可拉伸的橋梁結構。
研究顯示，這些方案勢必要犧牲發光器件的亮度、驅動電壓、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，上述難題也將不復存在。
尋找這樣的材料并不容易。張智濤告訴《中國科學報》：“我嘗試了很多辦法都沒能有效提高拉伸性能。發光薄膜在拉伸的情況下很容易斷裂，發光性能也受到嚴重影響。”
在反復思考驗證后，張智濤發現一種名為SuperYellow的黃色發光聚合物與聚氨酯（一種彈性塑料）混合時，不僅變得柔軟而有韌性，還會發出更明亮的光。
實驗進展和結果都很不錯，張智濤卻無法解釋出現這樣結果的內部原因。鮑哲南給出建議，可以通過做詳細電學和光學表征來進行研究和證明。
除了聚合物發光材料的設計，這項研究的另一個亮點是多層器件結構的構建。張智濤通過優化發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光二極管。
來自斯坦福大學的消息稱，利用該材料制成的顯示設備最大亮度至少是手機的兩倍，并且可以拉伸到原始長度的兩倍而不撕裂。
鮑哲南對這項研究成果的評價是：“由此誕生的新型顯示設備不僅能顯示我們需要的信息，還能讓我們與信息進行直接交互，比如顯示設備可以根據我們發出的指令做出響應。”
首次記錄章魚的肌肉信號
蔣圓聞發表在Science的研究突破，則與章魚有關。
他們利用具有高拉伸性和高密度的導電材料，首次記錄了章魚觸腳運動過程中的精細肌肉信號。在相同實驗條件下，傳統的硬質電極材料連保持穩定接觸都做不到。
“這是我很喜歡的一項研究，因為它很好地詮釋了化學之美，并且展示了通過材料創新，我們可以開辟新的應用場景，尤其是在神經工程等新興領域上。”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，為了突破現有導電材料無法綜合兼顧力學和電學性能的瓶頸，研究團隊經歷了一次次失敗后，最終設計出更為合理有效的結構——在導電高分子材料中引入了拓撲交聯網絡，并實現了創紀錄的高拉伸性、高導電性和高分辨光圖案化的性能優勢。
“在尋找生物應用過程中，我們早期比較專注于在人體皮膚測試表面肌電。雖然結果還不錯，但并不能完全突出我們器件的全部優勢。”蔣圓聞告訴《中國科學報》。
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備的方向上進行嘗試。”
“鮑老師給我們指出了很關鍵的研究方向。”隨后，蔣圓聞在軟體動物上進行了測試，并發現不僅可以直接突出柔性可拉伸器件的優勢，整個應用還更具有說服力。
在實驗中，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動過程中的精細肌肉信號。利用獲得的高質量電生理信號，研究人員可以對軟體動物獨特的分布式智能系統進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器人。
這條章魚給蔣圓聞帶來了全新的思路和實驗結果，就像蔣圓聞所說：“最終的結果都是一開始無法預測的。”
在隨后的實驗中，研究團隊實現了一系列過去難以實現的生物醫療應用，特別是針對柔軟且精細的組織，包括以高分辨率穩定記錄軟體動物的肌肉信號，以及通過腦干實現單核團級別精準神經調控。
研究團隊選用大鼠來模擬腦外科手術，首次將該材料制備的神經電極運用在腦干等不規則并且高度易損傷的區域，并通過電極陣列精準定位到單個神經元的精度，以熱圖的形式快速且準確地勾勒腦干神經核團。
未來，這款神經電極有望成為腦外科手術的好幫手，也有望為腦機接口提供新的方案。
柔性電子材料讓夢想成真
《中國科學報》獲悉，張智濤即將回國組建自己研究團隊。這幾年在鮑哲南課題組的工作經歷讓他感觸頗深：“博士后階段的工作將成為我邁向獨立PI的重要一步，不僅培養了我獨立思考和解決問題的能力，還學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，蔣圓聞也表示認同。他博士畢業于芝加哥大學化學系，期間經歷了一個實驗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驗室，鍛煉了自己和不同領域的專家協同合作的能力。
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，甚至是植入到體內的電子器件中。
實現這一夢想的關鍵在于材料。
“我們團隊花了很長時間才開發出這種材料，該材料讓未來的可拉伸電子產品的出現成為可能，其中透明的可拉伸導體是關鍵部件。”鮑哲南告訴《中國科學報》，“為了改進這種材料，我們還有很多工作要做。”
相關論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04400-1