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斯坦福大学华人教授开发超柔性电极,与脑神经兼容

2017-3-16 20:53| 查看: 1064| 评论: 0|来自: 麻省理工科技评论

  这是一个“智能”风靡的时代,人工智能、智能穿戴、脑机接口等新兴科技给大众带来冲击的同时,对技术和材料的要求也越来越高。例如,想要实现真正产品化、大众化的智能穿戴,那就不能让其笨重、僵硬的电路束缚穿戴者。另一方面,神经科学家需要将电极植入大脑,从而监测大脑活动或者传送微弱电刺激以缓解病人疼痛等。

  然而,大脑组织是非常柔软的,而电路设备和元件则是刚性的、坚硬的,想要将两者结合,可谓困难重重。如果有一种材料,既能具备灵敏的导电特性,又具备柔韧性,将为“智能化”进程打破一道僵硬的枷锁。

  

  利用新型聚合物打印出的超柔性电极:能够拉伸至其原始长度的好几倍(上图);利用该柔性电极制作的透明“电子皮肤”(electronic skin)贴片,能够很好的与人类皮肤相贴合,从而监测多种生命指标。

  近日,斯坦福大学华人教授鲍哲南(Zhenan Bao)团队开发出一种导电性和伸展性都极佳的高分子聚合物材料,可用来制作可拉伸的柔性电极以及透明“电子皮肤”等。该研究结果报道在最新的《科学进展》(Science Advances)上。

  过去十多年,鲍哲南团队一直致力于开发新型柔性电极材料,期望使电子产品变得更加柔韧灵活,就像人体的第二层皮肤一样。在不断的探索过程中,该团队将研究目光投向如何使脆性的塑料导电材料变得更加柔韧。

  总的来说,鲍哲南团队选用了一种脆性塑料导电材料,然后利用化学改性的方法,使其像橡胶一样具备可弯曲的柔韧性,并且导电性能也获得了略微的提升。利用该材料制作的电极具有柔性和韧性,并能与大脑中柔软、敏感的神经相兼容,极大地解决了神经科学家的需求。

  “这种柔性电极为脑机接口研究以及其他可植入电子产品开辟了许多新的、令人兴奋的可能性,”鲍哲南教授说,“我们开发出的这种新材料,具有毫不逊色的电学性能以及超高的可拉伸性”。

  虽然目前这种材料仅是一种实验室原型材料,该团队称其将继续开发,这仅是其后续研发人体接口柔性材料长期计划的一部分。

  柔性接口

  电极作为电子设备极其重要的基础部分,能够传导电流、来回传递信号,从而控制电子设备中不同组件协同工作。而在人类大脑中,一类称为轴突(axon)的特殊线状纤维则发挥着类似的作用,在神经元之间传输电脉冲。鲍哲南团队所开发的可拉伸柔性塑料电极,其设计目的正是为刚性、僵硬的物理电极与人体柔性的有机电极之间提供更加无缝的连接。

  论文第一作者、博士后研究员王岳(Yue Wang,音译)说:“关于大脑有一个很多人不知道的秘密:大脑一天之内会不断的发生体积变化,也即膨胀和消胀。当下的电子植入物不能跟随大脑进行相应的伸展和收缩,从而使得电子植入物与大脑之间的无缝连接变得困难和复杂。”

  

  测试仪器正在测试斯坦福大学化学工程师鲍哲南(ZhenanBao)实验室特制的透明柔性电极在曲面上的延伸情况。

  “如果我们的电极具有与大脑类似的柔韧性,那将形成更好的脑机接口,”Wang说。

  为了制造这种柔性电极,研究人员首先选定一种具备基本特性的塑料:高导电性和生物相容性,也就意味着这种材料能够与人体安全的接触和兼容。但是这种材料有一个致命的缺点:非常脆硬,5%的拉伸量就足以使其破坏

  紧密缠绕和脆性

  

  (A)原始材料PEDOT:PSS的分子结构;(B)分子添加剂STEC的结构;(C)典型PEDOT:PSS塑料薄膜的结构示意图;(D)添加STEC分子强化剂的改良型PEDOT/STEC柔性薄膜结构示意图,具备可拉伸性。(E)改良型PEDOT/STEC柔性薄膜拉伸试验图;(F)和(G)分别表示PEDOT/STEC柔性薄膜的应力/应变特性和应变循环特性。

  为了探索如何既保持材料原有的导电性同时又增加其柔韧性,鲍哲南团队与斯坦福线性加速器中心(SLAC)国家加速器实验室的科学家合作,使用特殊类型的X射线在分子水平研究这种材料。

  所有的塑料都是聚合物,也就是说,其分子链像珠子一样串在一起。他们选定的塑料实际上是由紧密缠绕在一起的两种不同聚合物组成:其中一种聚合物是电导体,而另一种是制造塑料过程中必需的聚合物。当这两种聚合物结合时,产生了一种类似一串脆性球状结构相连的塑料,其具备导电特性,但不具备柔韧性。

  研究人员认为,如果能找到合适的分子添加剂来分离这两种紧密缠绕的聚合物,就能够防止这种脆性结晶,从而给塑料带来更大的拉伸能力。但是,有一点必须小心谨慎:向导电体添加材料通常容易削弱其电信号传输能力

  经过了超过20种不同的分子添加剂测试后,研究者终于找到了一种合适的分子添加剂,这种分子类似于工业厨房中用于增稠汤的添加剂分子。这种分子添加剂将原始塑料分子结构中成块的脆性分子结构转化为带孔的鱼网结构,从而使得材料具备拉伸和变形能力。

  测试结果表示,这种新材料在拉伸至原始长度两倍时,导电性竟略有增加。并且,即使当拉伸至其原始长度的八倍时,材料的导电特性仍然很好。

  鲍哲南称,“我们最初认为,如果添加绝缘材料,得到的材料的导电性将会变得非常差,特别是我们的添加量还比较大。”但是,由于研究者对于如何调整分子结构组装具有非常精准的理解,从而获得了双赢的结果:不仅保持材料原有的最高电导特性,同时将其变成非常坚韧和有弹性的柔性材料。

  “通过在分子水平上了解塑料分子的相互作用,我们能够开发出像皮肤一样柔软、有弹性的电子设备,并且同时保有优异的导电特性,”Wang说。




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