新型电子产品可在体内伸展、弯曲甚至溶解

拆开任何电子设备，你会发现一堆直角、直线和扁平、坚硬的硅晶圆。约翰·罗杰斯正在改变这一切。这位45岁的材料科学家花了15年多的时间开发出可以弯曲、伸展而不破裂的电子产品。他的设备，从监测皮肤温度的外科缝线到使用寿命结束后可溶解的生物可降解传感器，都具有一个共同的特点：它们可以无缝地融入生物体柔软、湿润、运动的生理环境中。

其他科学家使用本质上可弯曲的材料（例如石墨烯，一种只有单个原子厚度的纯碳晶格）来构建柔性电子产品。罗杰斯在他位于伊利诺伊大学香槟分校的实验室里逆流而上，他的大部分设备都由硅制成，这是一种通常坚硬的材料——但由于其广泛的用途和卓越的导热性等优点，它在效率和低成本方面有着良好的记录。

罗杰斯的团队利用硅的可靠性声誉，通过将其巧妙地制成更具延展性的形式。他们不是用传统的硅晶圆制造晶体管，而是将材料切割成比人类头发薄几倍的薄片。“在这种尺度下，”罗杰斯说，“原本易碎的东西变得完全柔软。”

秉承这一理念，罗杰斯申请了数十项专利，并创办了五家公司来推广他的产品。他在马萨诸塞州剑桥的公司MC10正在开发可以贴合大脑或心脏轮廓的传感器，用于监测癫痫发作或心律失常的早期迹象。北卡罗来纳州的Semprius公司正在制造超高效的太阳能电池，它们薄如铅笔尖，柔韧到可以卷成管状，或印刷在塑料或布料上。

罗杰斯希望他所有的设备，包括这里重点介绍的五款，都能产生持久的影响。“如果我们超乎想象地成功了，”他说，重要的是人们会关心。

虫眼视图

任何试图拍打苍蝇却失败的人都能体会到它广阔的视野和敏锐的运动探测能力所带来的好处。这种优势源于昆虫的复眼，它们通过数百或数千个视觉感受器（称为小眼）收集视觉信息，这些感受器覆盖在眼睛的曲面上。感受器越多，大脑能够整合的信息就越多，因此昆虫的视力就越敏锐。

在早期模仿人眼形状的相机研究基础上，罗杰斯和他的团队最近推出了一款受昆虫复眼启发的相机。他们没有制作一个单个弯曲的镜头来将光线聚焦到平面上，而是构建了一个装有微小镜头的相机，每个镜头都连接到一个单独的光电探测器。“这种设计的独特之处在于，”罗杰斯说，“它能同时从四面八方观察。”

这款相机还能将近景和远景都完美聚焦。而且，由于每个镜头只需处理狭窄的视野（因此数据量很小），相机对移动物体的反应速度很快，就像昆虫一样。“如果你对监控系统感兴趣，这些特性很重要，”罗杰斯说。复眼相机也可用于内窥镜等需要近距离观察体腔的医疗程序。

罗杰斯目前的相机分辨率不高，类似于火蚁或树皮甲虫（小眼数量相对较少的昆虫）。他计划提高分辨率，模仿螳螂或蜻蜓的视力。最终，他希望达到“超越生物界任何现有水平”的分辨率。

完美贴合

想象一下，多年后的某一天，您的心脏出现了一种特殊的电活动模式，导致它不规则跳动。但是，在您出现可能危及生命的严重心律失常之前，一个由数百个传感器组成的网络介入了。该网络符合您心脏的形状，发出自己的一系列电脉冲，恢复正常的心律。而您几乎感觉不到任何东西。

罗杰斯通过创建能够精确贴合身体器官形状的传感器阵列，朝着这个未来愿景迈进。由弹性轻质材料制成并嵌入电子元件的心脏传感器像薄袜子一样包裹着心脏，提供心脏活动的实时测量。

罗杰斯说，目标是检测心律失常的早期迹象，并在整个器官上提供协调的电压，而不是像目前的除颤器那样在少数几个点提供巨大而痛苦的电击。他在圣路易斯华盛顿大学的合作者已经在兔子和从移植受体身上取下的人体心脏上测试了这种他称之为“人工心包”的设备，对活体患者的试验可能也快了。

罗杰斯的另一个设备旨在检测癫痫发作的早期迹象。但与其他脑部植入物不同，后者要么置于头皮上，要么必须刺入脑组织，而这个设备则置于大脑表面。而且，虽然现代电极可以大面积或详细扫描大脑，但罗杰斯的设备可以两者兼顾。

该设备与宾夕法尼亚癫痫中心（Penn Epilepsy Center）的同事共同开发，使用封装在丝绸中的360个电极阵列测量大脑活动。当丝绸溶解时，该阵列像收缩膜一样贴合器官表面，甚至折叠进入大脑原本无法触及的缝隙。

在最近一项以猫为试验对象的测试中，罗杰斯的团队展示了这些传感器（通过细电缆连接到计算机）可以识别预示癫痫发作的特定神经信号。他计划开发一个无线系统并将传感器尺寸扩大到人类大小；之后，他说，外科医生可以用它们来监测癫痫患者大脑中的癫痫发作，帮助指导手术决策。罗杰斯还设想了可以检测癫痫发作迹象，然后刺激局部神经以防止电积累，或许完全避免癫痫发作的植入物。

加水即可

通常，用于潮湿环境的电子设备都设计成能抵抗水分。罗杰斯和他的团队设计的电子设备则恰恰相反，它们会在几分钟、几小时、几天或几周内，甚至可能几年内，不留痕迹地溶解。

罗杰斯称之为“瞬态”电子产品的设备，可以监测和预防手术部位感染，然后按照预定时间表被身体吸收。它们还可以用作环境传感器，例如监测溢油或化学污染现场，然后在灾害清理完毕后溶解，从而省去回收团队收集的麻烦。

瞬态电子产品对军队也很有价值，它们可以使携带它们的设备收集敏感信息，然后消失在空气中（或水中，视情况而定）。

罗杰斯的瞬态设备不仅能溶解到环境中，而且在溶解时也无害。事实上，罗杰斯说，他设备中的大多数“成分”都列在一瓶日常维生素上。在最近一次电气工程会议上的一次演讲中，一位同事打赌罗杰斯不敢当众把一个瞬态设备放进嘴里吞下去；罗杰斯赢得了赌注。

为了开发这项技术，罗杰斯的团队首先使用了一层可弯曲且极易溶于水的纯化丝膜。他们没有使用传统的铝或铜来制造充当传感器的电极，而是使用了镁，一种无毒、高导电且溶于水的金属。他们也没有使用传统的硅晶圆来制造晶体管和二极管，而是使用了仅50纳米厚的硅层，使这些元件能够在几周内溶解。

最后，团队将整个设备涂覆了一层氧化镁，这是另一种无毒化合物——常被用作抗酸剂——在电子产品中作为绝缘体。氧化镁层越厚，水渗透所需的时间越长，因此设备溶解得越慢。

罗杰斯的团队在与人体pH值和温度相似的溶液中测试了他们的设备，发现根据涂层厚度的不同，这些设备的使用寿命最短可达40分钟，最长可达5天，并在两周内完全消失。这一范围使得这些设备适用于各种应用，如术后抗菌剂和长期医疗监测。罗杰斯和他的团队甚至制造了可在10到20秒内溶解的非绝缘设备。“我们希望它们能在尽可能广泛的时间范围内发挥作用，从几秒钟到许多年，”他说。

在一项应用中，罗杰斯的团队设计了一种瞬态柔性薄膜，利用电力而不是药物来杀死细菌。该设备的电力通过热量或热灭菌杀死病原体，这种方法可以防止动物对抗菌素产生耐药性。在最近的一项测试中，该设备成功地在培养皿中和植入大鼠皮下时杀死了微生物；它持续了大约两周，这是手术患者术后感染风险最高的时期。

第二层皮肤

通常，监测肌肉收缩和其他生物活动的设备过于笨重，除了医院或实验室，其他地方都不实用。罗杰斯和同事们希望通过一种可以直接打印在皮肤上的无线电路板，将这些应用带到街道和家中，以监测包括心率、皮肤温度、肌肉活动和水合作用在内的各种生物功能。

在早期的电子“皮肤”版本中，罗杰斯团队的研究人员将温度传感器、光探测器和其他组件封装在一个橡胶片上，可以像临时纹身一样贴敷，弯曲和拉伸而不会破裂。但它在几天内就会被洗掉。

他们目前的模型厚度不到一微米，省去了聚合物背衬，而是将电子设备直接印在皮肤上，并用喷雾绷带密封阵列。该设备与人体皮肤的褶皱和沟壑完美贴合，可以佩戴长达两周，然后脱落。而且它非常不显眼，人们可以将其佩戴在身体的敏感和活动部位，例如喉咙的皮肤。

该设备可使医生持续监测各种生命功能。例如，通过测量皮肤的电导率或热量扩散，它可以监测水合作用，从而发现以水潴留为特征的心脏问题的早期迹象。它还可以发送微小电流刺激肌肉，作为物理治疗方案的一部分。其非侵入性也使其在新生儿护理中特别有用。

最近，罗杰斯展示了人们可以通过一个安装在喉部的电子皮肤来控制一个简单的电脑游戏，该电子皮肤通过检测肌肉收缩来感知他们的语音命令，并将其转换为虚拟命令，例如上、下、左、右。其他志愿者可以使用能够感知前臂肌肉紧张的电子皮肤来驾驶遥控直升机。

大脑中的灯泡

神经科学家已经学会了通过光遗传学（一种对特定神经元进行基因重编程使其对光线作出反应的技术）来改变动物行为——字面上讲，是一瞬间。光遗传学实验有助于阐明成瘾和睡眠等复杂行为的生物学基础。但是，这类实验中常用的设置——植入大脑的光纤电缆和连接到激光的沉重头盔——对通常作为实验对象的实验鼠来说是侵入性且笨重的，严重阻碍了研究人员观察正常活动和社交行为的能力。

为了克服这些障碍，罗杰斯和他的实验室与圣路易斯华盛顿大学的同事一起，开发了一种侵入性小得多的光源：微型LED设备，它们比传统的光遗传学设备更容易携带，对脆弱的脑组织造成的风险也更小。

罗杰斯说，制造这些设备的一个主要困难在于一个不方便的事实：发光往往会产生热量，而神经元只能耐受很小的温度范围。在传统的光遗传学手术中，这并不是一个问题，因为光线通过电缆传输，使实际的激光器远离大脑。但罗杰斯希望将他的微小LED灯安放在神经元之间。“在大脑中操作一个灯泡，同时限制温度不能升高超过半摄氏度，这被证明是非常具有挑战性的，”他说。

LED设备本身的尺寸提供了解决方案：每个方形LED厚度为5微米，边长为50微米。小尺寸和相对较大的表面积的组合使得热量能够足够快地散发，从而保护动物的神经组织。罗杰斯和他的团队将四个微型LED放置在一张薄而柔韧的聚合物片上，然后将其与包含传感器（用于监测小鼠大脑中的温度、光线和电活动）的薄片叠在一起。由此产生的压舌板状设备厚度仅为10微米，比最细的蜘蛛网还要薄。

在最近的一项测试中，该团队使用了一种基于丝绸的水溶性胶水，将一个LED设备连接到一根超细针上，然后将针注入到十几只小鼠大脑中的目标区域。15分钟后，胶水溶解，团队取出了针头，只留下柔性LED设备——组织损伤非常小。为了给LED供电，罗杰斯给小鼠配备了带有射频天线的轻型帽子。

精简后的系统取得了成果。打开四个微型LED激活了大脑奖励回路关键部分的神经元，促使小鼠更喜欢开灯时所处的笼子部分。“这表明我们有一种方法可以将半导体设备植入大脑，”罗杰斯说。

同样重要的是，他说，“我们不再有束缚。”无线设置允许动物自由活动，使研究人员能够更充分地研究小鼠的自然行为——并可能最终为一种实用的​​人类治疗方式打开大门。

追求影响力：与约翰·罗杰斯的问答

您20世纪90年代初在贝尔实验室的工作主要集中在消费品上，比如具有真实纸张外观和手感的柔性屏幕。您为什么转向其他领域，例如医疗设备？

许多消费电子产品对社会的益处有限，而且大多数很快就会被下一代产品取代。我们希望我们正在追求的一些事物能够具有某种质的不同程度的重要性。这种转变在2002年我于宾夕法尼亚大学发表演讲后加速了，当时听众中的一名神经科学学生表示有兴趣将我们的电子产品用于大脑。那次谈话促成了与他的导师之间富有成效的长期合作，并使临床医学成为我们研究的重点。

您从使用本质上柔性的半导体材料转向使用硅这种以其不柔性而闻名的更传统材料。这感觉像是在倒退。您为什么这样做？

我开始寻找制造柔性电子产品的新方法是出于必要。当我在贝尔实验室时，我身边都是优秀的有机化学家，他们可以制造各种有趣的聚合物和有机分子，我们可以用它们来制造晶体管。当我离开去伊利诺伊州时，我知道我不再有我的化学合作者在隔壁了，所以我需要找到一种不同的方式来产生影响。我们开始对超薄硅感兴趣，因为薄的几何形状使得任何材料都具有柔性。一块2x4的木材是刚性的，但一张纸不是——相似的材料，只是厚度不同。硅也是如此。晶圆是刚性且易碎的，但纳米级厚度的硅片是柔软且灵活的。

您的设备不仅灵活，而且可伸展。这有什么意义？

它使得可以将它们包裹在半球形物体或柔软的生物组织上，例如大脑或心脏。为了实现非生物系统（如电子设备）与生物系统之间的无缝、微创整合

，机械结构和形状必须精确匹配。由于我们无法改变生物系统使其看起来像硅芯片，因此我们专注于反向操作。

您是如何意识到可伸缩性与柔韧性同样重要？

2005年初的某个时候，一位博士后发现，在打印过程的初始步骤中，我们用来打印超薄硅的橡胶印章有时在接触薄硅之前会因操作而略微拉伸。这会导致硅材呈现波浪形，几乎像手风琴的风箱。这些形状最初是偶然形成的。

因此，放松橡胶会压缩硅。这有什么影响？

在某种意义上，我们让硅材进行“体操运动”——弯曲、伸展和变形。我们花了一段时间才精确理解其潜在的物理原理并优化该过程，但随着我们的努力，我们提出了数十种应用，包括能精确贴合人体器官表面的设备；或可附着在手术器械上以最大限度地减少对周围组织的伤害而植入体内的设备；或以以前不可能的方式模仿自然的设备，例如复制哺乳动物眼睛或昆虫眼睛能力的相机。——吉姆·沙利文

[本文最初以《可伸缩、柔性未来》为题刊登在印刷版上。]