“人体芯片”走进现实，新型电子产品正在改变世界

　　直播：2021腾讯科学WE大会：跟“天字号”科学家一起洞察天机

　　《黑镜》中有一个桥段，每个人的耳后都被植入了“记忆芯片”，它成为人身体的一部分，帮助储存、调取、甚至删除记忆^ V k # = k q – u。

　　“记忆芯片”或许还停留在幻想中，但贴合人体的芯片已经走进现实，甚至在慢慢改变世界。

　　这种将硬质材料电子器件制作在柔性基板S = [ 0 { K )上，让其可以满足更大的* $ D t $ k 3灵活性的新兴电子技术，就是柔性电子技术。

　　柔性电子器件的广阔应用

　　柔性电子概念的提出，大约起步于上世纪80年代，人们试图用有机半导体替代硅等无机半导体，从而使有机电子器件具备柔性特点。

　　在工业生产上，因为可以满r b n d 5 1 * W ;足千差万别的场景变化和需求，柔性应变传感器件被广U v % u ] $ Y泛使用。比如应用于温度、湿度和压力等外界刺激监控的共形电子触摸屏，多功能电子传感器的电子鼻、电子眼等等。

　　在军事上，可穿戴设备将是未来参战人员和装备平台的基本配置，而基于柔性材料~ X S T D u d [的电路、传感器和能源\ q = l 9 # 3 P部件，将与硅晶片一起组成下一代可穿戴设备。体积小、重量轻的可穿戴设备能持| ` & q ( V U续跟随获取信息和持续控制，实现人类智力、感官和体能的增强延伸，提高平台的态势响应与对R \ v 7抗能力。

　f ; # y C　在太阳能电池上，柔性电子技术也有极大的发展空间。传统的太阳能电N ` g \ E V O t池只能安装在平面刚性架上，但柔性电池可以实现各种复杂曲面的安装。

　　当然柔] u i $ V l k H性电子技术更多还是应用在健康领域，基本方式是可穿戴触= n # &摸监测器和体表电子皮肤传感器，用于监测人体生7 % ) R 0 k H `理状况，包括手、胳膊和腿h h s $ z 3 ( )的大幅度弯曲移动以及呼吸、吞咽、发声时肌肉振动等等[1]。

　　在柔性电子技术发展过程中，不得不提到u u ]一个人X ; + \ t | B P p，“柔性电子之父”——John A。 Rogers，他创造了无数次工程学奇迹，实现了机械物质从“硬”到“柔”的跨越；他开发的柔性芯片已经应用于诸多医疗场景并开始“救命”。他的一小步，是跨向未来的一大j S \ ;步。

　　John A。 Rogers教授是少有入选美国所有国家科学院——美国国家工程院、美国国家科学院和国家医学科学院的天才。从诺奖创立以来，一共有375位美国人获得诺贝尔奖，而历史上只有20人能同时入选美国三个国家科学院。

　　他和他在西北大学的科研小组，在过去的二十年致力8 l G o A [ 2于研发柔性电子器件。截至目前，他发表了750多篇论文（根据Google学术搜索超过125，000次引用）m W 8 0 K ( c，成为 Nature 和 Science 的“钉子户| A 4”v = @ J {。他还是100多项专利和专利申请的发明者，其中50 多项已获得许可# ^ T . Y S或正在使用中。

　　他的目标是，把y * R 2硅基的芯片变成橡胶一样柔软。这样的电子芯片，B 8 Y % S o V就可以实现无创的与人体的结合。

　　挑战碳基人体和硅N \ 4 r ! m基芯片的结合

　　总有人说，死亡并不可怕，可怕的是被插满各种监测仪器躺在床上的那一刻，不仅要承受机W E 8 w N U M c器对身体造成的损伤j ` $ –，还要承受被禁锢的心理伤害。有没有_ o ` d J U一种友好的监测方式可9 ^ N X t以为患者“减负”？Rogers正在做这件事情。

　　我们都知道，人是碳基生物，最基本的组成是细胞和组织，它是柔性的。而芯片由硅组成，一& P [般e h x都是在刚性的半导体晶片上制备而S ! ] k成。这样的芯片，放在电脑、手机和监测仪器里非常合适，但是你不会想把一个芯片放到你的大脑或者心脏上面。

　　所以，为了实现碳基人体和硅基芯片的有机结合，Rogers课题组重新设计了电子设备：

　　首先，是把材料做得足够薄，这样它就拥有了柔性的r p = % R g 8力学性质。比如把硅片制成非常薄的硅带、薄膜，这种纳米级的硅带会变得很柔软，可以放在人体器官上而不会对器官造成机械损伤。

　　丨薄的、无电池的、类似皮肤的血氧测定装置（Rogers Research Group）& A M D 0 B a

　　其次，不仅需要芯片是柔软的，而且还需要让它可以像橡胶一样随意拉伸、扭曲。为了实现这一点，需要精巧的拓扑学和材料力学的设计。如下图的芯片6 l 8 ; H z U e，被设计成由波浪形的金属条相连，这样在拉伸的时候，芯片就可以贴合器官的表面自由地伸展。

　　丨器件级硅的三维微体系结构（Rogers Research Group）

　　简单来说，Rogers及其团队研f a J Z w 5发的柔性电子芯片，“你可以整天戴着它，但会忘了它就在那儿”。这看起来只有百余字的轻描` : (淡写，却集结了无数材料、电子工程师的呕心沥血。而这一“人性化”的研究成果k W G，已经从实验走向临床，应用于各种医疗场景中。

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　　回到开始的问题，那些或许在未来可以突破人类生理极限，从而改变世界的脑机接口技术，无论是侵入式还是非| * 9侵入式，都会面临机器很难与人体兼容的技术难题。或许柔性电子材料可以帮助脑机技术更好地作用于人体。我们通过这层透明的薄膜，仿佛能看到幻想中的未来世界。

　　如果你想一窥世界未来的( p U D w样子，就来腾讯科学WE大会吧。11月6日，John A。 Rogers将为你讲述柔性电子的传奇。一起线上赴约！

　　[1]《柔性电子材料A v 3 =与器件的应用》，物联网学报，于翠屏，刘元安，李杨柳，郭霞，2019年9月

　　作者

　　physhan

　　苏黎世联邦理工硕士

　　巴= $ & K Y塞尔大学量子力学6 v # 4 s . f % h博士在读

　　知乎物理学优秀答主

　　本文转自腾讯科学WE大会