柔性电子之父,三院院士John A. Rogers教授近三年重要成果集锦...

来自 : 发布时间：2024-11-14

岩拓气凝胶首页新闻中心行业动态 柔性电子之父，三院院士John A. Rogers教授近三年重要成果集锦 行业动态 2020年7月25日 上午4:00

John A. Rogers教授是国际著名材料学家、物理学家及化学家，现为美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院三院院士。John A. Rogers教授的主要研究方向为非常规电子器件材料及制造。近十年来在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等领域始终走在最前端，取得众多研究成果，成为业界领军人物。作为全球柔性电子技术研究的开创性领军人物，John A. Rogers教授开创的柔性电子技术研究开启了传统硬质无机电子技术产业从 硬”到 柔”的跨越，对于推动柔性电子技术成为融合数字、物理和生物世界的变革性力量，改变未来世界生活形态的可能性都具有非凡的意义。

因此，高分子科学前沿编辑部对John A. Rogers教授近三年的部分重大突破性工作进行了汇集和总结，供大家学习和交流。

JohnA. Rogers教授

该总结主要围绕以下三点来展开：

1. 可穿戴生物集成系统 2. 可植入生物集成系统 3. 先进微型器件制造技术

注：本文仅选取了部分John A. Rogers教授作为(共同)通讯作者的论文，更多论文和研究成果可以前往JohnA. Rogers教授课题组主页：http://rogersgroup.northwestern.edu/；同时，由于学术水平有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。

【一】可穿戴生物集成系统 1.Nature：首次将复杂的触摸感融合到VR/AR中

虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术和增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种运用多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种手段将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术。VR/AR技术可以给人以全面和身临其境的体验，这种体验包括交互式图像、声音和触感，因此VR/AR技术不仅具有强大的丰富人们生活的娱乐功能，对于听觉障碍、肢体残疾者以及其他相关病人的临床医学、康复和恢复等领域也具有重要的用途。

触感，是人体最重要感觉之一，它是我们与世界物理连接的基础。这种物理连接主要依靠的是我们的机械感受器，它大量而广泛地分布在人体皮肤和真皮层内，依靠将施加在皮肤上的力转化为电信号传递到大脑来使我们产生触感。但是，将触感融合到VR/AR技术中仍是目前该领域的一个巨大难题，主要的困难来自于感觉受体检测到的刺激被编码成电信号，然后被解码成计算机能够感知和理解的信息过程很复杂。

针对这一问题，美国西北大学JohnA·Rogers院士研究团队联合黄永刚院士研究团队开发了一种无线、无电池的触觉制动器，其中的电子系统平台和触觉界面能够轻柔地层压在皮肤的曲面上，以通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息，从而实现了将复杂的触摸感融合到VR/AR技术中。这种触觉致动器通过无线供电和控制，以及能压层贴合任何类型皮肤，使其具有低耗能、适用性广和安全便捷的特点，比如通过设计优化，触觉致动器的功率仅为1.75 mW，在指尖和手上产生明显的感官响应的同时无热效应产生。根据目前的实验结果，作者预想这项研究在未来的社交媒体互动、假肢反馈、视频游戏、个性化康复、手术训练、教育反馈和多媒体娱乐等诸多领域具有极大的应用空间。

参考文献：Yu, X. , Xie, Z. , Yu, Y. , Lee, J. , Rogers, J. A. . (2019). Skin-integrated wireless haptic interfaces for virtualand augmented reality. Nature, 575(7783), 473-479.

2. Science：为ICU早产儿保驾护航的可穿戴器件(一)

在美国，每年有超过48万名危重儿童在ICUs接受治疗，其中包括体重只有500克的早产儿，然而，新生儿和儿童重症监护室(分别为NICUs和PICUs)的标准临床护理包括使用硬连线设备持续监测生命体征，这些设备粘附在皮肤上，在某些情况下，还可能涉及插入动脉的导管式压力传感器。这些系统可能导致医源性皮肤损伤，使临床护理复杂化，并阻碍父母和孩子之间的皮肤接触。因此，一个能够无创、连续、准确监测生命体征的无线系统，很有可能极大地提高新生儿和儿童重症监护的安全性和有效性。

鉴于此，美国西北大学JohnA. Rogers院士、AmyS. Paller和ShuaiXu1教授团队联合开发设计了一种无线、无电池的生命体征监测系统，这个监测系统由一对超薄、低模量的测量模块构成，每一个模块均是表皮电子系统(EES)，它能够轻柔地、无创性地连接到新生儿的皮肤上，对新生儿的生命体征进行准确、无伤地监测。

该研究中设计的系统和技术不仅重现了目前侵入性有线系统所提供的全面的生命体征监测能力，还增加了多点温度传感器和持续跟踪血压的能力。这些传感器可以满足NICU的需求，因为它们具有很高的机械顺应性、无创的皮肤粘附界面、优异的耐水性以及与基本医学成像和检查的兼容性等诸多优点。除了先进的监测能力，皮肤样轮廓和全无线操作模式可以减少亲子之间皮肤接触的障碍，进一步增强了其直接的治疗价值。

参考文献：Chung, H. U. et al.Binodal, wirelessepidermal electronic systems with in-sensor analyticsfor neonatal intensivecare. Science 363, eaau0780 (2019)

3.Nature Medicine：为ICU早产儿保驾护航的可穿戴器件(二)

John A. Rogers院士及其合作者在2019年发表在Science[Science 363, 6430, eaau0780(2019)]上的一项研究描述了一种柔软的，类似于皮肤的电子系统，旨在满足早产儿ICU临床健康状况监控和分析的需求。在这项研究中，作者在NICU中的评估研究中证实了该系统可以对心率，血液氧合，温度，呼吸频率和脉搏波速度进行临床准确测量的能力。但是，作者在文中指出，该系统在实际应用时仍然有以下缺点：

(1)无线电源传输和数据通信的最大工作距离较短(~30 cm)； (2)存在机械脆弱性； (3)足够，但测量能力范围有限; (4)只能专门定制高级设备配置。

为了解决这一问题，使柔性穿戴系统可以更多和更广泛地应用在临床上，美国西北大学John A.Rogers院士、Jong Yoon Lee教授和芝加哥安 罗伯特·卢瑞儿童医院Debra E.Weese-Mayer教授研究团队对之前的研究进行了改进和优化，克服上述缺点的同时赋予了新监测系统新的能力。

比如，电池和无线功率采集方案的改进，它不仅提供了与现有心率、呼吸率、温度和血氧和临床标准相等的测量，而且还提供了一系列重要的附加特征(如跟踪运动和身体定位，量化皮肤对皮肤护理的生理益处，捕捉心脏活动的声学特征，记录与哭泣的音调和时间特征相关的发声生物标记物)。

与之前的研究相比，使用了蓝牙技术的新柔性传感器系统可以将信号传输的最大距离提升至10米，这大大提高了该系统和技术的实用性。同时，该系统的另一个特点是它具有监测心率变异性的能力，这可用于在明显的疾病迹象变得明显之前预测婴儿的临床状况变化。

最后，安全性实验表明这款改进后的系统耐水性很好，而且由于功率极小，不会产生明显的热量对新生儿的皮肤造成不适或损伤，也不会对X射线等诊断成像研究造成干扰。但是，作者仍然在文章的最后提出了该系统还需进一步优化的地方，包括：

(1)此传感器获得的测量值与标准传感器获得的测量值之间的绝对差虽然在可接受的范围内，但是某些参数的差异可能与血压相对较低的极早产儿具有临床相关性，因此有必要在实施之前进行进一步研究。 (2)目前的测试仅限于生命参数相对正常的儿童，对于生命体征异常的儿童，还需要进一步测试。

参考文献：Chung, H.U., et al.Skin-interfacedbiosensors for advanced wireless physiological monitoring inneonatal andpediatric intensive-care units. Nat Med 26, 418–429 (2020).

4.Nature Biomed Eng：放置在胸骨上的无线生物电子器件对生理过程进行机械声传感检测

人体的自然生理过程会产生大量的机械声信号，其中许多信号在皮肤-空气界面会强烈衰减。振幅和频率范围从微妙的振动到全身运动学包含多样和重要的生理健康信息，比如:声襞振动(约100Hz)、心脏活动(约10Hz)、步态和运动(约1 Hz)和呼吸(约0.1Hz)。数字听诊器和惯性测量装置是定量捕获这些数据的临床工具，但是，数字听诊器获取信号通常限制在20~1900 Hz的频率范围内，很多低频率的生理活动很难被有效的检测到。而采用高带宽三轴加速度计的皮肤安装软电子设备可以捕获大量微弱的生理信息，包括潜在机械声信号和核心身体运动的精确运动学。

基于这一前提，美国西北大学John A.Rogers院士、黄永刚院士、ZhaoqianXie教授和Carle神经科学研究院Charles R. Davies教授等研究团队联合开发了一种无线生物电子器件，它可以被放置在人体胸骨上方的凹口处来连续测量生理活动产生的机械声信号，包括从皮肤在大约10-3 m s-2的加速度下的微弱振动到整个身体的大运动在大约10 m s-2的振动和高达800 Hz的频率振动。相比于之前的研究，这项研究中使用的无线生物电子器件以及检测系统具有以下5个特点:

(1)无线系统的设计优化了舒适的皮肤界面和高精度、高带宽MA测量，使用小型可充电电池供电; (2)使用胸骨上切迹(SN)作为一个独特的解剖安装位置，提供了丰富的混合MA信息，涉及不同类别的生理过程和核心-身体运动; (3)发展数据分析技术，从得到的多模态数据中提取定量的生理洞察力; (4)在日常活动和体育锻炼中连续或半连续监测时，结合演示装置独特的力学性能、独特的安装位置和先进的分析方法; (5)通过与金标准多导睡眠描画系统的记录进行定量比较，在睡眠实验室获得的结果进行临床验证。

参考文献：Lee K H , Ni X , Lee J Y , et al.Mechano-acoustic sensing of physiological processes and body motions via a softwireless device placed at the suprasternal notch. Nature BiomedicalEngineering, 2020, 4(6).

5.Nature Biomed Eng：用于假肢控制和认知监测的大面积核磁共振兼容表皮电子接口

柔性可伸缩电子技术制备了各种各样的薄的皮肤界面医疗设备，这些类皮肤表皮系统提供了与生理健康和心理活动相关的生物物理和生化参数的连续测量能力，这对于疾病诊断、生理健康监测以及与假肢、计算机系统和可穿戴机器人设备建立控制界面至关重要。与传统的可穿戴设备相比，类皮肤表皮系统中材料与皮肤以一种机械和热无痕的方式相结合，使其具有超薄、低模量、轻便、可伸缩和可呼吸的结构，因而这种系统可以与皮肤建立了强健、亲密的电子接口，而不会引起刺激或不适。然而，目前的方案将这些设备的总体尺寸限制在几平方厘米以内，因此空间绘图能力只能扩展到很小的区域，不能够满足实际的需求。

鉴于此，美国西北大学John A.Rogers院士、伊利诺斯大学厄巴纳-香槟分校Paul V. Braun、清华大学Yihui Zhang等人研究团队从材料、装置结构、操作和安装以及制造方法等多方面进行改进和优化，制备得到了比以往研究大几个数量级的表皮电子界面，组装后的电生理学记录装置能覆盖整个头皮区域和整周小臂，具有在大范围皮肤区域收集生理信息的重要能力。该装置中开放网络设计内的丝状传导结构可以使无线电诱导的涡旋电流最小化，因此加强了与磁共振成像(MRI)的兼容性。例如，大面积肌电图设备与截肢者残肢相连，通过定向肌肉再生，可以精确控制复杂的多功能假体和头皮脑电图系统，在连续磨损的几天内稳定、高保真地运行。随后，作者将大面积表皮电子界面用于病人肱骨假肢的多功能控制，这些病人可以在长时间的脑电扫描以及同步脑电扫描-结构/功能性磁共振成像中进行目标肌肉神经分布重建手术，极大地体现出了该装置的实用价值。在最后作者提出，这些技术的改良版本也可能允许应用于内脏器官，包括大脑或心脏大面积区域的电生理学测绘。

参考文献：Tian, L., Zimmerman, B., Akhtar, A. et al.Large-area MRI-compatibleepidermal electronic interfaces for prosthetic controland cognitivemonitoring. Nat Biomed Eng 3, 194–205 (2019)

6.Nature Communications：监测流汗与给出补水建议的智能柔性可穿戴集成系统

最近推出的可以安装在皮肤上的薄而软微流体系统具有强大的运动和生理监测功能，比如可以连续、实时地监测人体总汗液损失、汗液率以及对汗液物进行标记和分类。虽然该体系能在没有有源组件或电源的情况下工作，从而避免了额外的成本、制造复杂度、装置的体积和重量等，但人体补水之后可能会导致之前的测量结果不再适用，且异常生理活动的监测需要用户主动观测比色结果。

基于此，美国西北大学John A.Rogers院士研究团队通过以下三点措施来解决这些缺点：

(1).夹阀门和抽吸泵组成epi流控汗液装置,它可以手动清除收集的汗液来进行可复位操作； (2).可逆视觉指示器向用户显示局部汗液流失信息； (3).冒泡性泵片和化学刺激物质用于自动传递汗液过度流失的信号(在总汗液流失的某些阈值提供感觉反馈)。

人体试验表明，这类系统能通过汗液触发薄荷脑和辣椒素排出从而使人体皮肤产生感觉，提醒用户防止脱水。这项研究建立了一套软微流体元件和系统，用于汗液采集、收集和电解质分析，并具有自动反馈给用户的能力，并且整个过程均不需要电子或有源元件。

采用标准的微加工工作流程制造人工操作的单片集成微流控系统，是实现低成本、人工驱动的芯片和皮肤实验室系统的关键特性。同时，研究结果表明epi流控系统的能力可以进一步进行扩展，使用户将系统中的汗液排出来，再重新启动系统，并使汗液触发化学感受器释放出可能脱水的感觉警报，而所有这些都以一种最简单和最廉价的被动方式来表达出来。

参考文献：Reeder J T , Xue Y , Franklin D , etal. Resettable skin interfaced microfluidic sweat collection devices withchemesthetic hydration feedback. Nature Communications, 2019, 10(1).

7.Science Advances：对汗液同时进行电化学、比色和容量分析的微流体/电子系统

薄而柔软的可穿戴传感器与人体密切整合后可以提供独特的生理监测功能。随着材料与电子技术的进步，建立柔性为基础的复杂结构和功能的灵活可穿戴传感器越来越变得可能。比如人在运动的时候，体内会进行剧烈的代谢活动，会从皮肤中产生大量的汗液，这些汗液中包含大量的电解质、代谢物和小分子。对这些物质的成分和含量进行准确的检测，可以对人的一系列生理和运动学参数进行准确的分析，比如氧饱和度、生物电位、表面压力、温度、血流和水化等等。目前可穿戴汗液传感器的核心是用于电化学检测的电子器件或用于视觉读出的比色分析装置。但是前者的缺点主要是形状因子不理想，后者的缺点在于只能进行半定量分析，适用的生物标记物也不多。

基于此，美国西北大学John A.Rogers院士团队借鉴生物燃料电池的理念，设计了一种结合了生物燃料电池传感器、比色分析法、NFC电子技术和软微流体技术的无源无线式电子传感系统，可以同时和高效地检测人体汗液中乳酸、葡萄糖、氯离子、pH值和汗液率/损失。

采用改进的子设计、集成方法和材料制备的这种微流体/电子系统具有轻质、小型化、柔软、无电池等特性，与之前报道的具有类似性能的可穿戴传感器相比，该研究中的可穿戴化学传感装置更轻、更小、更便宜。

人体受试者研究表明，该传感器可以牢固地附着在柔软的、弯曲的皮肤表面，而不会在体育锻炼中失效，从而提供与汗液流失和汗液化学有关的连续、多模式信息，这两种信息都可用于评估生理健康、性能和疲劳。

该研究所述的微流体/电子系统不仅可以根据汗液来获得大量关于人体生理的信息，同时，作者表示研究中涉及到的电子学、微流体学、集成方案对于跟踪肾病患者、筛查囊性纤维化、监测药代动力学、测量压力缺血和应激标记的新器件和方法也有重要的影响和启发，这将是未来一个很有前景的跨学科研究方向。

参考文献：Bandodkar A J , Gutruf P , Choi J , etal. Battery-free, skin-interfaced microfluidic/electronic systems forsimultaneous electrochemical, colorimetric, and volumetric analysis of sweat.Science Advances, 2019, 5(1).

8.Science Advances：依靠热电供能的可穿戴柔性设备

将两种金属或半导体的两端紧密接触形成回路，若此时两个接触点温度不同，则会在回路中产生电流。温差越大，则产生的电流越大。其中，以半导体相联制成的回路能产生较大的电动势，可以用作热电发电器。随着半导体器件小型化趋势的加快，能量收集技术变得越来越重要，特别是在可穿戴技术和物联网传感器方面。尽管热电系统在这方面有许多吸引人的特性，但随着特性尺寸的减小，在设备终端之间保持较大的温差并实现与周围环境的低热阻抗接口变得越来越难实现。

基于此，美国西北大学John A.Rogers院士、黄永刚院士和G.Jefferey Snyder教授课题组合作，在传统半导体加工工艺，首次提出了利用非线性屈曲力学组装来实现的一种三维微型热电发电器。该策略首先在二维平面状态下，通过光刻、转印等技术将掺杂的单晶硅薄膜和金属电极布置在预设形状的聚合物保护层内，然后通过硅胶基底的受控压缩屈曲形成三维结构。这种方法不仅能实现有效的热阻抗匹配，而且还能成倍地增加通过收割机的热流，从而提高功率转换的效率。

用该策略制成的三维微型热电“弹簧”特征尺寸仅为8微米，但通过三维变形，不仅将热传递方向的距离（即基底到弹簧顶部的高度差）提高到毫米级别，更使其拥有着比二维平面设计更为出色的力学柔性与拉伸性——实验测试结果显示，该弹簧结构在超过200次面内循环拉伸（拉伸至原长160%）后仍然不会损坏，而且可以承受高达30%的面外压缩应变。

这项新技术基于传统半导体工艺，因此这些热电弹簧可以在不增加制备步骤的情况下轻松地被复制、扩展成为大规模阵列。研究中8×8的热电弹簧阵列可以很稳定地贴在人体表面上，在19℃的温差下，器件的最大输出功率约为2nW，开路电压达到51.3mV，温降达到6.2℃。如果将单晶硅换成其他更优秀的热电薄膜材料，这些性能可以被进一步提高。

参考文献：Kewang N, S, Dongmin K, Kan L. et al.Compliant and stretchable thermoelectric coils for energy harvesting inminiature flexible devices. Science Advances, 2018.

9.Science Advances：用于汗液收集、成分分析、温度记录的防水柔性传感器

通过分析人体运动活动/过程中产生的汗液的信息，就能实现对人体生理状态的无创式原位监测，然后就可以开发出新的健康诊断形式和个性化的补水策略。随着材料科学和微电子信息技术的快速发展，结合了这两个技术的汗液收集、分析柔性传感器具有强大的功能，比如对汗液的成分进行收集，然后给出对应的补水配方。但目前报道的柔性传感器在极端环境下并不适用，比如在液体水环境中还存在以下三个难题：

(1). 无法消除周围水的污染和干扰； (2). 在粘滞力或剧烈运动下不能保持稳定的粘附； (3). 会阻止所收集汗液的蒸发过程。

针对这三个应用难题，美国西北大学John A.Rogers院士团队从材料和设计出发，研发了一种粘附于皮肤，具有收集、储存和分析汗液功能，即使在水下环境也能正常工作的防水表皮微流控电子系统传感器。这项研究涉及到的具体技术包括：

(i)用于皮肤和微流控平台兼容的可塑弹性聚合物材料[苯乙烯嵌段共聚物(SIS)]，该弹性体对水、水蒸气和周围水媒化学物质的渗透率极低; (ii)防止水生环境的干扰或污染而不妨碍汗液流入的微流体通道、入口和出口的设计; (iii)将与水撞击和皮肤运动有关的剪应力减至最低的超薄保形装置的成型技术; (iv)可在水下牢固粘接和可靠收集汗液的皮肤粘附材料和几何设计; (v)集成防水柔性/可拉伸电子设备的方法，该电子设备可以与人体表皮组织进行联结，以获得额外的、互补的传感模式。

实验结果表明，通过优化传感器结构、设计超薄的边缘几何形状以及使用强度高、皮肤友好的粘合剂，即使在极端的水下作业时间超过2小时以上，该传感器也能与皮肤牢固防水地粘合，同时保持稳定的监测性能。这些结果突出了微流控平台对游泳运动员和旱地运动员在实时生理测量方面的先进能力，同时这些原理和装置设计将对这些和其他极端环境中表皮汗液收集和分析系统有重要作用。

参考文献：Reeder, Jonathan T., et al. Waterproof,electronics-enabled,epidermal microfluidic devices for sweat collection,biomarker analysis, andthermography in aquatic settings. Science advances5.1 (2019): eaau6356.

10.Science Advances：可监测人体辐射的可穿戴柔性传感器

来自太阳、室内灯、发射显示器和其他人工光源的电磁辐射(EMR)对生物的生命过程具有波长特异性和剂量依赖性的影响，而这些影响决定了生物的健康状况。如果人过度的暴露于EMR环境中，可能会导致很严重的疾病问题。比如过度暴露于紫外线辐射、太阳蓝光、或手机等电子产品发射源的辐射，会增大患皮肤癌的风险。而较短的波长光有助于皮肤上活性氧的生成，这会导致DNA损伤，引起炎症和色素沉着过度，同时也会引起强化胶原蛋白和弹性蛋白的降解,从而导致衰老和皮肤起皱。因此，对人们日常生活周围辐射情况的实习监控来进行调整对于提高生命质量是十分必要和有意义的。

为了对人体周围的室内照明、显示系统的短波蓝光以及来自太阳的紫外/可见/红外辐射进行准确而高效的监控，美国西北大学John A. Rogers院士团队设计制备了一种毫米级、超低功率数字剂量计平台来实时监测和计算人体受到的辐照情况。为了制造该平台，作者使用了先进的光自适应电子控制电路、用于剂量测量的累积检测模块(ADM)和用于无线通信的蓝牙低能量芯片(SoC)系统相结合的技术。该平台在一个或多个波长的自主模式下同时提供连续EMR剂量的测量，并可通过无线远程通信与标准消费设备进行时间管理。

由于该系统的功率很低，这些高度精确的、毫米级的器件可以长期处于工作状态，经过计算，单个小型纽扣电池可以为系统连续续航1~2年。同时，该系统/器件由于没有接口端口和机械开关，而且不需要更换电池，因此可以对防水、防汗和耐磨损的设备进行密封。最后，作者表明如果该系统可以得到大规模的应用，那么将大大有助于降低皮肤癌、情绪障碍、眼部损伤和其他与EMR暴露有关的疾病的风险。

参考文献：KwonK,Heo SY, Yoo I, Banks A, Chan M,Lee JY, et al. Miniaturized,light-adaptive,wireless dosimeters autonomouslymonitor exposure toelectromagnetic radiation.Science Advances.2019;5(12):eaay2462.

11.Science Translational Medicine：柔性可以穿戴设备监控电磁辐射助力光治疗

电磁辐射是一把双刃剑，它对人类健康具有深远影响。一方面，过多或过强的电磁辐射会损害人体健康，比如太阳的紫外线会导致皮肤癌，蓝光影响人体褪黑激素的昼夜节律。另一方面，可控量的电磁辐射具有良好的用途。比如紫外线可以治疗各种皮肤炎症，而蓝光可以治疗新生儿黄疸。虽然在这些情况下对暴露量的定量测量很重要，但由于在体积、重量、成本和准确性方面的一系列不利因素，目前的电磁辐射监测系统在实验室之外的适用性并不理想。

针对这一应用难题，美国西北大学John A.Rogers院士联合Shuai Xu教授研究团队采用光学计量方法、光电子设计和无线操作模式的方法，开发了一种柔性、微型化、低成本、无需供电、可以准确监测人体电磁辐射的放射量测定器。该测定器内部含有具有近场通信功能的芯片系统、射频天线、光电二极管、超级电容器和晶体管，然后利用连续积累机制对电磁辐射进行测量。作者在实际实验中将设备安装在人体参与者身上，在户外活动(包括水生环境)、治疗性光疗单元以及在新生儿重症监护病房进行蓝光光疗，演示了UVA、UVB、可见光和红外辐射累积和瞬时监测。

这项技术的意义不仅是可以实时监测消费者健康和临床医学中的紫外线剂量，同时这个系统的剂量测定法修改版本可以调节瞬时和累计传感模式，包括连续无线设备的审讯、照明与视觉和操作指标。不仅如此，在对新生儿进行蓝光光疗的情况下，这一功能可以优化NICU和门诊治疗高胆红素血症的方案(NICU停留日平均费用为1170$)，降低光治疗成本或者提高NICU光辐照的经济效益。除了医疗、化妆品和生活方式方面的应用，剂量测定法在焊工、钢铁工人和其他暴露于有害紫外线、可见光和/或红外辐射的人的职业健康监测中也很重要。

参考文献：Seung Y H, Jeonghyun K et al. Wireless,battery-free, flexible, miniaturized dosimeters monitor exposure to solarradiation and to light for phototherapy. Science Translational Medicine, 2018.

12.Science Translational Medicine：用于脑积水患者脑部健康状态评估的表皮电子技术

脑积水是一种常见且治疗价格较昂贵的神经系统疾病，它主要是由脑脊液(CSF)生产过剩和/或受损的再吸收引起的。目前的脑室导流管法是一种常见用于治疗脑积水的方法，但是治疗时成功率并不是很高，同时还可能导致一系列并发症，比如头痛，头晕，和恶心。目前常用如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、放射性核素分流通畅研究(RSPSs)和冰袋介导的热溶解法来作为脑室导流管法失效的诊断工具，但是均存在成本高、准确性差、不便和安全隐患等缺点。

鉴于此，美国西北大学John A.Rogers院士联合Matthew Potts教授研究团队开发并测试了一种柔性无创、可皮肤安装的可穿戴测量平台，该平台包含热传感器阵列和致动器，用于对皮下分流的血流进行精确的、连续的或间歇性的测量，从而提供了一种低成本、舒适的方法来定量评估通过脑脊髓分流的连续或间歇血流。

在研究过程中，作者对材料、力学和制造方案进行了系统的考量，制备的柔性传感器厚度仅为100um，模量~70kPa，密度＜10 mg cm-2，在物理性能上类似皮肤，其弯曲刚度比传统的刚性传感器低9个数量级。作者将该传感器在5名病因不同的成人分流受者身上进行了试验，并且将其结果与CT、MRI和RSPSs的结果进行比较，验证了该传感器在体内的功能，以及用于定量测定流速的先进处理算法。除了对血流进行准确的监测，此类表皮电子设备还支持捕获人体运动学、电生理信号、软组织机械特性和汗液中的化学标记等信息。

参考文献：S.R. Krishnan, T.R. Ray, J.A. Rogers,et al. Epidermal Electronics for Noninvasive, Wireless, QuantitativeAssessment of Ventricular Shunt Function in Patients with Hydrocephalus, Science Translational Medicine 10, eaat8437 (2018).

13.Science Translational Medicine：用于汗液捕获、存储和比色感应的柔性可穿戴传感器

通过对汗液进行捕获和定量化学分析而启用的健康监测能力可以补充或可能消除基于零星血样评估的方法的需要。现有大部分的汗液监测技术和器件基于简单的织物样本，这只能在受控实验室或医院环境中进行测试和分析。为了使汗液收集和分析变得更加精准和方便，美国西北大学John A.Rogers院士团队设计和制备了一种薄而软、封闭的微流体系统，该系统可以直接和可靠地从皮肤表面的毛孔中获取人体运动后产生的汗液，并对其进行储存和分析——这些设备通过使用无线数据传输的比色检测来测量总汗液流失、pH值、乳酸、氯化物和葡萄糖浓度。

这项研究的微流体技术主要建立在最近课题组的表皮电子、光子和光电子系统的研究基础上，额外增加了流体处理和捕获、以及生化分析能力。该微流体系统装置可以安装在身体的多个位置，使用生物相容的粘合剂和软装置力学包覆使其对人体皮肤没有化学或物理刺激，同时还有较强的拉伸性能和防水性。为了在实际条件下评估该装置的实用性，作者进行了两项试验:一项在室内进行的可控微汗诱发研究，另一项在长距离自行车比赛中进行的真实世界的户外使用研究。

参考文献：Han S , Kim J , Won S M , et al. Battery-free,wireless sensors for full-body pressure and temperature mapping. ScienceTranslational Medicine, 2018, 10(435):eaan4950.

【二】可植入生物集成系统 1.Nature：用于光遗传学调节末梢神经的无线闭环系统

生物电子医学领域的最终目的是设计出通过刺激末梢神经系统来缓解临床症状的器件和装置系统，而这类技术很大程度上依赖于电流刺激来提供器官功能/疼痛的神经调节。一个典型的例子是用于治疗膀胱过动症、尿失禁以及间质性膀胱炎（也称膀胱疼痛综合征）的骶神经电刺激法。传统的连续刺激方法可能导致不适感和疼痛感，特别是治疗间歇性症状时（比如突发性尿急）。将电极直接物理连接到神经上可能会导致患者受伤和产生炎症，此外，典型的电刺激方法在实施时会瞄准较大的神经束，而神经束由多重结构组成，因此这些刺激不具有器官特异性。

针对这一问题，美国西北大学John A.Rogers院士团队联合华盛顿大学圣路易斯分校RobertW. Gereau IV教授研究团队开发设计了一种微型生物光电植入装置，该装置通过以下手段来解决上述问题：

(1). 利用微米尺度无机发光二极管来刺激视蛋白的光刺激界面； (2). 建立允许连续测量器官功能的柔性高精度生物物理传感器系统； (3). 开发能使系统协调闭环运行，实时消除病理行为的控制模组和数据分析方法。

在本文所报道的例子中，柔性应变仪可对小鼠膀胱功能进行实时监测；数据算法可以识别出病理行为，自动化闭环光遗传学可对膀胱感觉传入进行神经调节，使膀胱功能正常化。这种全光神经调节方案提供了长期稳定性和刺激特定类型细胞的潜力。

该研究结果证明了这种装置和方法在监测和调节膀胱功能方面的效用，但其核心思想和支持的技术平台可以很容易地进行调整，以解决与膀胱相关的一系列应用问题。例如,光电刺激和传感模块可以修改集成多个生物物理(温度、流量、压力,等等)和/或生化(代谢产物、蛋白质、激素等)传感器，可以和各种类型的驱动器(如光、电、药理)进行搭配来提供所需的调制。因此，从这个意义上来说，该研究开发的技术系统在生理学、病理学、临床前和临床研究中具有广泛的用途。

参考文献：Mickle, A.D., Won, S.M., Noh, K.N. etal. A wireless closed-loop systemfor optogenetic peripheral neuromodulation.Nature 565, 361–365 (2019).

2.Cell(综述)：新兴的可植入神经调节技术

用于神经调节和/或神经修复的可植入式装置现在得到越来越多的重视和研究，经过十多年的发展，目前该领域已经取得了很多的突破性成果，并作为患者群体和相应的一系列健康状况条件下的高效治疗手段得到了一定的应用。这些成果一是来自于我们对神经控制器官功能机制的理解提高了，二是可编程方式精确调节这些功能技术的进步。然而，目前大部分还是应用于动物模型，在未来，不同的神经调节模式将超越那些由少量电极采集的简单电刺激所支持的模式，从而提供更多的功能、扩展的应用、改进的效用和减少的侵袭性。

针对这一领域的研究现状、待解决的问题以及未来的发展方向，美国西北大学JohnA. Rogers院士团队在《Cell》上发表了关于可植入神经调节技术的最新进展综述文章。在综述中，作者强调了神经调节系统在基础研究和细胞培养、类器官和动物模型水平的学术研究中都有直接的用途。尽管许多潜在的概念是非常有吸引力的，但是在临床应用实现这些全部的潜能仍然有很大的挑战。在文中，作者提出了三个主要的挑战：

(1)先进的形式记录/刺激和监控/治疗神经系统疾病； (2)高时空分辨率和可伸缩性(成千上万的活跃渠道)高保真操作； (3)在材料、表面化学、力学和几何方面具有长期稳定的生物相容性，并为特定用途量身定做。

参考文献：S.M. Won, E. Song, J. Reeder and J.A.Rogers, Emerging Modalities and Implantable Devices forNeuromodulation, Cell 181, 115-135 (2020).

3. Nature Materials(综述)：用于慢性神经界面的柔性生物电子材料

可以用作长期稳定，高性能的电子记录和刺激接口的大脑和神经系统其他部分的工程系统，具有跨宏观区域的细胞水平分辨率，是神经科学和生物医学界广泛关注的问题。用于这些目的的生物相容性材料的开发和柔性植入物的设计仍然面临挑战，比如材料或系统的最终目标是达到接近常规基于晶圆技术的系统性能以及能够达到人类寿命的工作时间。

美国西北大学John A. Rogers院士、EnmingSong等人在《Nature Materials》上发表了关于用于慢性神经界面的柔性生物电子材料的综述。在这篇综述文章中，作者主要梳理了这一研究领域的最新进展，重点介绍了在生物相容性、电子功能、生物体液长期稳定运行和体内使用可靠性等方面所必需的主动和被动成分材料、设计结构和集成方法。

研究了能够在高时空分辨率下进行大区域多路电生理测绘的生物电子系统，特别是关注那些在活体动物模型中已被证明具有慢性稳定性的生物电子系统，以及在人脑尺度上可扩展到数千个通道的生物电子系统。在最后作者表明，材料科学的研究将继续巩固这一研究领域的进展。

参考文献：Song, E., et al. Materials forflexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces. Nat. Mater. 19,590–603 (2020).

4.Nature Biomed Eng：用于监测慢性疾病和愈合过程的生物可吸收压力传感器

颅内压、眼内压和血管内压在临床上分别用于创伤性脑损伤、青光眼和高血压的诊断和治疗，而传统用于测量这些压力的装置需要在相关手术时间后进行手术摘除。相比之下，生物可吸收传感器可以消除了这一缺点，从而最大限度地降低了感染风险，降低了护理成本，并减轻了患者的痛苦。然而，目前可用的生物可吸收压力传感器的使用寿命不足以满足许多临床需求。

针对这一问题，美国西北大学John A. Rogers院士联合华盛顿大学医学院WilsonZ. Ray 教授课题组联合对传感器的材料、器件结构和制造方法进行优化，开发了一种寿命相比于之前报告的寿命至少延长十倍的生物可吸收压力传感器。研究中的整个方案依赖于利用聚合二甲基硅氧烷(PDMS)焙烧形成的非晶态硅粘接层来粘接一对绝缘体上硅(SOI)晶片，键合后消除手柄晶片产生超薄、无机生物可吸收电子传感器，具有坚固的生物液屏障和允许长时间稳定运行。

通过对大鼠进行25天的颅内压监测，结果证明了研究中使用的生物可吸收压力传感器具有准确性高，漂移小，总体性能优于不可吸收的临床标准传感器的优点。这些结果不仅为满足临床使用要求的生物可吸收压力监测技术建立了途径，而且还为广泛种类的生物可吸收电子设备提供了借鉴意义。

参考文献：J. Shin, Y. Yan, W，W.Z. Ray and J.A. Rogers, Bioresorbable Pressure Sensors Protected with Thermally Grown SiliconDioxide for the Monitoring of Chronic Diseases and Healing Processes, Nature Biomedical Engineering 3, 37-46 (2018).

5. Nature Biomed Eng：针形超薄压电微系统，通过机械传感引导组织靶向

在世界范围内，癌症是仅次于心脑血管的主要死亡原因，活组织检查对于诊断、评估治疗反应和在个性化药物时代指导治疗是必不可少的。因此，准确的组织活检在大多数癌症的管理中是至关重要的。然而，即使是在医学技术十分发达的美国，很多医学中心使用的的泛癌临床试验都无法将活组织检查失败率降低到20%以下。同时，在基于针的活检过程中准确定位肿瘤部位对诊断和癌症治疗中的个性化治疗至关重要，但是大约有五分之一的活检样本无法进行分析，原因是活检针在图像引导下不精确地定位肿瘤，导致提取的恶性癌细胞数量达不到分析标准。因此导致目前用于指导活检的成像方式要么不能提供足够的信息，要么不适合广泛应用于临床。

为了克服这一问题，美国西北大学John A.Rogers院士、黄永刚院士联合美国血管与介入放射学、微创治疗学实验室RahmiOklu 等人联合开发了一种针状超薄压电微系统，它可以被注射或直接安装在常规活检针上，通过定量实时测量组织模量的变化，在捕获活检样本期间用于区分异常组织。利用特征良好的合成软材料、移植的组织和动物模型，研究者从实验和理论上建立了微系统的基本工作原理。通过对有癌性病变的人体肝脏的系统测试，研究者们证明了压电微系统与磁共振弹性成像提供了定量的一致性，而磁共振弹性成像是临床测量组织模量的黄金标准。这些研究为提高组织靶向性的微创传感器奠定了基础(其中杨氏模量是指导组织和基因检测准确采集标本的基础)。

参考文献：X. Yu, H. Wang, X，Y. Huang, R. Oklu and J.A. Rogers, Needle-shaped Ultrathin Piezoelectric Microsystem for Guided TissueTargeting via Mechanical Sensing, Nature Biomedical Engineering 2,165-172 (2018).

6.Nature Biomed Eng：光谱表征生理状态和神经活动的生物可吸收光子器件

实时监测体内生理过程有助于给药时刻表设定，外科手术过程规划，以及康复管理。现有方法依赖于体外成像技术或植入传感器，这些方法不能在临床相关时间尺度上提供连续信息，并且/或需要昂贵且高风险的手术过程。

针对这一问题，美国西北大学John A.Rogers院士团队设计了一类基于人体可吸收材料的注射式光子装置[该装置含有一系列生物可吸收光学组件，包括:基于器件级单晶硅纳米膜(Si纳米膜)的单结光电探测器、基于Si P-N结的三层叠片和三色光电探测器、SiOx和SiNy光学多层滤波器和聚乳酸-乙醇酸(PLGA)光纤]，用于光谱表征目标组织和体液。作为范例，作者演示了该装置可用来连续监测自由移动小鼠的大脑温度，氧化作用和神经活动。作者认为，这类装置在疾病病理学基础、神经科学研究、手术治疗以及恢复过程监测中会发挥作用。

参考文献：Bai, W., Shin, J., Fu, R. et al.Bioresorbable photonic devices for thespectroscopic characterization ofphysiological status and neural activity. Nat Biomed Eng 3, 644–654 (2019)

7.Nature Medicine：无线生物可吸收电子系统助力持续非药物神经再生治疗

外围神经损伤是公共卫生的一个重大问题，占所有创伤病例的5%。对于严重的神经损伤，即使采用先进的临床干预手段，也往往会导致运动和/或感觉功能不能达到令人满意的程度。许多研究指出药物方法(如生长因子、免疫抑制剂)在啮齿类动物模型中加速和增强了神经再生的潜力，但是，这些药物很少能在临床实践中产生积极的反响。术中直接电刺激法一种新的非药物、生物电疗法，它可以修复近端受损神经组织来增强和加速受损神经功能的恢复。但是，这项技术的一个重大局限性是现有的协议仅限于术中使用以及治疗效果有限。

针对这一问题，美国西北大学John A. Rogers院士、华盛顿大学医学院WilsonZ. Ray教授联合开发了一个生物相容性和生物可吸收的无线、可编程电子外围神经刺激系统，首次报道了在啮齿类动物模型中，由于受伤神经组织的多次电刺激而增强神经再生和功能恢复。该系统通过使用无线生物可吸收电子技术，对病灶组织的程序化电刺激超过术中间隙6天，这是一种有效的非药物辅助治疗神经损伤的方法。这些发现为广泛种类的生物可吸收电子植入物奠定了工程基础，这些植入物可作为在一系列临床应用中神经再生生物电子干预的功能通道。此外，这些系统还可以广泛适用于各种目标组织和器官系统。

参考文献：J. Koo, M.R. MacEwan, W.Z. Ray and J.A.Rogers, Wireless Bioresorbable Electronic System Enables SustainedNon-Pharmacological Neuroregenerative Therapy, Nature Medicine 24,1830-1836 (2018).

8.Nature Electronics：用于神经科学研究的无电池、多模式操作全植入式光电系统

微生物视蛋白的发现及其在神经科学研究中的应用，为利用光学手段激活靶向神经元提供了基础，并导致了一套新的神经科学研究方法，统称为光遗传学。光遗传学可以通过激活和抑制大脑和周围神经系统中选定的行为中心而得到了广泛的应用。在这项应用中，将适当强度的光传递到靶向组织至关重要，最简单和最常见的方法是将光学纤维物理地拴在外部光源上，但这种机械和光学接口会对周围组织造成损伤并导致光衰减。最近推出的无线微型化真皮下平台，可在无电池的操作模式下提供光，从而最大限度地减少微运动和减少探针界面的疤痕形成。同时，它们还可以不受约束地进行操作。但是这些开发和报道的装置暂时还不能保证对光强度的精确控制，也不能支持多模式操作或对多个设备的独立控制。

鉴于此，美国西北大学John A.Rogers院士研究团队报道了一种可编程、多模态光遗传学的全植入式、无线光电系统，可以满足神经科学研究的许多需求。在该系统中，无电池的磁谐振耦合操作允许在动物身上进行不确定性实验，完全不受物理或惯性运动的约束。具体来说，通过对排放强度的闭环反馈和高效的单向通信协议，实验者可以对基本操作参数进行实时控制。与此同时，这套系统具有强大的能量收集能力，可以保持足够的光功率水平，即使是在大型实验环境中也可以成功的产生光刺激。这些工具不仅促进了标准的光发生实验研究，而且还为可自由移动的动物创造了新的实时监测手段。例如，可以用于双侧光基因刺激，对神经元群体进行个体控制、对个体刺激对象进行社会实验，以及在体内，通过精确控制发射强度对新视蛋白进行快速表征。

参考文献：P. Gutruf, V. Krishnamurthi, D. Chandaand J.A. Rogers, Fully Implantable Optoelectronic Systems for Battery-free,Multimodal Operation in Neuroscience Research, Nature Electronics 1,652-660 (2018).

9.Nature Communications：小型动物无线起搏器用于生物医学研究

动物模型在研究心血管疾病的发病机理和研究心脏健康的多因素(包括遗传和环境因素)中发挥着关键作用。但是这些因素需要数年才能在人类身上完全体现出来，而利用小动物、原生动物或基因工程动物可以加速这些机制的研究(现在实验中使用较多的是利用电起搏器来诱导动物心率加快)。最近开发的基于光遗传学的技术可以利用光刺激基因靶向的光激活蛋白去极化心脏细胞，从而有效地加速和去纤颤，与电起搏相比，光生心脏和自主神经刺激可通过选择性刺激特定神经元或心肌细胞亚群进行功能解剖。但是光纤技术对有意识的、自由移动的动物模型或长期体内研究的适用性有限，比如传统光纤的高模量刚性特性会阻碍体内观察和阻碍对慢性疾病的研究，特别是在快速移动的软组织系统(如心脏)。

针对这一问题，美国西北大学John A.Rogers院士、PhilippGutruf教授和华盛顿大学Igor R. Efimov等人联合开发了一种高度微型化的无线能量收集和数字通信电子系统，用于薄、微型起搏平台，其重量仅为110 mg，可皮下植入，并能承受200,000多个多轴应变循环，而不会降低电学或光学性能。数日的体外和体内多模和多点起搏的研究表明，该系统具有长期的稳定性和优良的生物相容性。作者指出，这种通过动物控制和通过慢性起搏诱发心力衰竭来对心动周期进行光遗传学刺激，可作为与基础和应用型心血管研究及生物医学技术相关的操作模式的例子。

总的来说，该研究中设计的多模式和慢性植入式心脏起搏器具有无线和无电池功能，非常适合用于小动物模型，如大鼠。该系统的设计与MRI和CT成像兼容，可使自由运动的受试者在无机械或功能退化的情况下进行慢性起搏。这种超轻、柔性和单片结构在设计上提供了良好的生物相容性，与柔性印刷电路板技术的制造能力相匹配，具有广泛的推广潜力。

参考文献：Gutruf, P., Yin, R.T., Lee, K.B. etal.Wireless, battery-free, fully implantable multimodaland multisite pacemakersfor applications in small animal models. Nat Commun 10, 5742 (2019)

10.Science Advances：用于局部组织血氧测量的皮下植入式无线无源光电系统

区域组织氧化程度反映了氧气供给和需求之间的平衡，是一个各种生理和病理过程的标志。在小动物模型上的研究表明，由于O2动力学与神经活动、组织灌注、肿瘤微环境、创面愈合级联以及许多其他因素之间的相互作用，高度定位的组织氧合水平可以得出个人很多组织或器官健康参数。可靠的监测系统不仅可以提高对O2介导的生物过程的理解，而且对临床诊断和治疗指导有重要的参考价值。但是现有的组织氧合评估技术存在一系列缺点，比如需要接线（需要接入O2电极，光纤等）、麻醉剂、特殊装置等，因此经常会给测试对象的自然行为带来干扰。

鉴于此，美国西北大学John A.Rogers院士研究团队设计了一套小型化、可完全植入式无线血氧定量法系统，该系统能在动物清醒状态下，不加束缚地对其特定组织区域进行血氧定量，例如小鼠大脑深处。为了实现这一特性，该系统结合了

（1）用于连续感测局部血红蛋白动力学的微米级光电器件和 （2）用于连续无线电源传送和数据输出的先进设计。

该系统小型化的外形因素(可注射部件的尺寸与其他微创技术相似)、轻质结构(约80mg)、机械兼容的设计和生物相容性的包埋材料有利于植入，最小化组织损伤，并提供了强大的、慢性手术的潜在能力。作者认为，本文的结果为研究自然行为个体中各类O2介导的生理过程创造了大量机会，给生物医学研究和临床实践带来了启示。

参考文献：Zhang, Hao, et al. Wireless,battery-free optoelectronic systemsas subdermal implants for local tissueoximetry. Science advances 5.3(2019): eaaw0873.

【三】先进微型器件制造技术 1.Nature Materials：多稳定弯曲力学可形变3D微电子器件

具有形状可以在不同形态之间定性可逆改变的3D结构在工程中有很重要的应用，例如可展开空间结构、生物医学设备、微机电系统(MEMS)、机器人和超材料。许多这样的可逆结构3D系统的设计灵感来自于古老的折纸/剪纸艺术，这主要是可以通过主动折叠和展开预先设计的折痕和切割的薄片来实现各种形状。

但是要想同时应用于大范围的尺寸，并与最先进的微系统技术中的各种先进材料相结合，仍然是一个挑战。比如，这些方法并不容易应用于高性能的平面薄膜材料或微/纳米尺度的结构器件(这些器件涉及各种材料和现有的电子、光电子和微机电系统中的元件器件设计)。

美国西北大学John A.Rogers院士、黄永刚院士和清华大学YihuiZhang教授研究团队联合提出了一套策略和设计概念来解决这个问题。首先，作者利用双轴预紧弹性体平台和二维前体的方案来装配三维细观结构。因为之前的研究表明简单的双轴释放预应变使确定性的三维组装可以通过连续和平滑的形状变化。

其次，作者采用释放序列和特别设计的前驱体设计来保证多种不同三维屈曲模式的稳定，从而提供可逆重构的能力。该方法利用在不同时间序列下变形的弹性体平台，通过非线性力学屈曲弹性的改变支撑微观结构的三维几何形状。作者通过实验和理论研究了超过20个例子，包括具有可识别形式的复杂物体(例如，章鱼、蜘蛛、鸟、枫叶、房子和篮子)和可以在三到四种不同状态下重新配置的细观结构，说明了该策略的通用性。该研究所报道的系统的二维到三维几何转换中固有的双稳定性和多稳定性的基础研究，为设计具有独特、可重构拓扑的三维介观结构建立了一般的理论基础。

参考文献：H. Fu, K. Nan, Y. Huang, Y. Zhang andJ.A. Rogers, Morphable 3D Mesostructures and Microelectronic Devices byMultistable Buckling Mechanics, Nature Materials 17, 268-276 (2018).

2.Nature Electronic：用于振动能量收集、机器人传感界面和生物医学植入装置的3D压电高分子微系统

压电微系统在机械传感、能源转化和机器人等领域有重要作用。压电微系统通常是平面结构，但将转化为复杂的三维结构则可能提升并扩展其工作状态。有鉴于此，美国西北大学JohnA. Rogers院士、黄永刚院士和清华大学Yihui Zhang等人采用一种可控的非线性屈曲过程，将光刻所得2D电极图案以及压电高分子薄膜转化为复杂的3D压电微系统。

为证明此方法的普适性，作者给出了20个多不同的3D几何结构。基于这些结构，作者实现了具有可调机械性质和均方根电压（2-790mV）的能量捕捉装置；应用于机器人假肢界面的具有更高响应性（例如，各向异性响应以及法向力下60mVN−1的灵敏度）的多功能传感器；能在体内运行的生物一体化装置。总之，这些3D几何结构，特别是那些具有超低刚度或非对称结构的，具有传统2D设计难以实现甚至不能实现的独特力学属性和功能性。

参考文献：Han, M., Wang, H., Yang, Y. et al.Three-dimensional piezoelectricpolymer microsystems for vibrational energyharvesting, robotic interfaces andbiomedical implants. Nat Electron 2, 26–35(2019).

3.Science Advances：三维微观结构中的机械活性材料

包含先进机械活性材料的复杂3D微机电系统(MEMS)由于其在许多新兴体系(如加速器、惯性制导、细胞力学、高精度质量传感和微流体控制等等)中的潜在应用而受到广泛关注。压电材料，特别是结构紧凑和轻便的薄膜压电，是3D MEMS执行器的基础，它可以在小的驱动电压下产生具有线性力和位移响应的快速开关。如何在3D MEMS中合理部署这样的压电元件，从而整体集成到复杂的3D框架中仍是当前工作的一个难题。

基于此，美国西北大学John A.Rogers院士团队在《Science Advances》上发文介绍了引导组装和非均匀材料集成的策略，以实现复杂的三维微尺度机械框架(其中包含多个独立定位的压电薄膜驱动器，用于振动激励和精确控制)。这种策略结合了转移印刷作为材料集成的方案和结构屈曲作为2D到3D几何变换的手段，用于平面或曲线表面上从简单的对称布局到复杂的层次结构的设计。作者利用系统的实验和计算研究揭示该策略潜在的特性和能力，包括选择性激发目标振动模式，以同时测量周围流体的粘度和密度。这些结果为具有生物感应、机械生物学、能量采集等独特功能的不同寻常的机械活动三维结构奠定了基础。

参考文献：X. Ning, X. Yu, Y. Zhang and J.A.Rogers, Mechanically Active Materials in Three-DimensionalMesostructures, Science Advances 4: eaat8313 (2018).

4.Nature Communications：功能3D结构中的2D材料在光电检测和成像中的应用

与2D平面材料相比，部署在复杂的3D结构中的电子和光电子材料可以提供扩展级别的功能，并且现有的大量研究表明了3D结构在用简单的材料获得独特的性能方面有巨大的价值。剪纸受到折纸艺术的启发，拥有复杂的三维结构，有望成为2D到3D转换的有效路径，但目前的研究缺乏功能材料、力学设计、系统级架构的组合，以及具有独特操作特性的实用设备的集成能力。基于此，美国西北大学John A.Rogers院士联合延世大学Jong-Hyun Ahn教授研究团队通过演示可以测量入射光的方向、强度和角散度特性的复杂、机械组装的三维光成像系统，发现二维半导体/半金属材料可以在2D到3D转换情况下发挥关键作用。具体来说，利用石墨烯和二硫化钼力学原理以及配置合适的聚合物支撑薄膜，可以形成独特的三维结构光电探测器阵列，包括八角形棱镜、八角形棱镜和半球形穹顶。

参考文献：W. Lee, Y, J.-H. Ahn and J.A. Rogers, Two-Dimensional Materials in Functional Three Dimensional Architectureswith Applications in Photodetection and Imaging, Nature Communications 9:1417 (2018).

5.Science Translational Medicine：高清晰度、长期记录的神经接口

由于目前大部分研究和使用的神经接口设备的传感触点数量有限，因此它们只能对大脑进行粗略采样或者限制于对一个小的神经元体积进行采样。提高神经接口设备的吞吐量，以高密度同时采集大区域的高保真大脑信息是研究和临床应用中的迫切需求，同时，超薄而灵活的持久、高分辨率神经接口对于精确的大脑映射和高性能的神经假体系统至关重要。要想对大脑的数千个区域进行采样，就需要将电力电子集成到几根外部导线上，将多个电极进行多路复用。然而，现有的多路电极阵列受限于封装策略和有限的植入寿命。

为了解决这一难题，美国西北大学John A.Rogers院士、杜克大学Jonathan Viventi教授和纽约大学神经科学中心BijanPesaran教授研究团队开发了一种灵活的多路电极阵列，称为神经矩阵，它可以非常稳定的提供啮齿类动物和非人灵长类动物体内的神经记录(预计至少持续6年)。研究者对目前最先进的技术进行了以下五点改进，开发了该研究中的神经矩阵：

(i)通过在每个电极接触处集成灵活的有源电子器件，可扩展到超过1000个通道，外部导线少于100根。 (ii)超薄(~ 29um)，保证与大脑的适形接触，提高信号寿命；通过 (iii)使用t-SiO2封装策略和 (iv)将电传感方法从法拉第式改为电容式，可以延长器件寿命； (v)通过使用集成人工硬脑膜阵列封装，在NHPs中实现了快速、迭代的体内测试。

此外，研究中使用的是标准的硅制造工艺，可以在提高传感器分辨率和更大的覆盖范围的同时来降低大规模生产的成本。

参考文献：C.-H. Chiang, S.M. Won, J.A. Rogers andJ. Viventi, Development of a Neural Interface for High-Definition,Long-Term Recording in Rodents and Non-Human Primates, ScienceTranslational Medicine 12, eaay4682 (2020).

6.Nature Communications：兴奋性VTA→DH投射为记忆电路提供价信号

积极或消极的经历通常会导致具有相似价值的记忆的形成。这些有“价值”的记忆会在经历很长一段时间内影响个体的威胁规避和奖赏行为，尤其是在与它们的价值相一致的情感状态下。然而，持久的情感记忆偏差也有不良的后果：有负面价的记忆通过触发恐惧，在不再预测危险的情况下恢复而导致焦虑症；尽管个体会意识到药物对健康有威胁作用，但积极价记忆还是会引发毒瘾复发。背海马体(DH)有确认情景记忆的形成和检索的作用，即关于对个人经历、事件发生的地点和时间的记忆。情景记忆的感觉、空间和时间成分的形成需要从皮质输入到DH神经元，近年来科学家对皮质输入到DH神经元的理解有了显著的进展，特别是在描述齿状回颗粒细胞中不连续的内嗅皮层投射的作用时。但是，信号价到DG神经元的电路还没有被确定。腹侧被盖区(VTA)中脑多巴胺神经元的活动长期以来被认为与奖赏信号有关。然而，由于发现从VTA到DH的多巴胺能投射稀少，以及多巴胺记忆机制主要涉及蓝斑核的投射，最近提出的关于DH投射的VTA多巴胺神经元在记忆中的作用受到了质疑。

针对这一问题，美国西北大学John A.Rogers院士、Jelena Radulovic教授研究团队发现表明兴奋性、非多巴胺的VTA神经元向DH记忆电路发出正负信号。这可以优先提取消极和积极的记忆，而不是中性的记忆，这解释了不同研究中的结果差异。同时，在研究中作者发现神经传导对性别有一定的依赖性，比如在恢复恐惧或阿片类药物诱导的位置偏好后，女性的VTA→DH末端密度高于男性，而在激活VTA→DH末端时，谷氨酸电流衰减更快，因此，这也是女性更容易患有抑郁症等精神疾病的原因。

参考文献：Y. Han, Y. Zhang, H. Kim, J.A. Rogersand J. Radulovic, Excitatory VTA to DH Projections Provide a ValenceSignal to Memory Circuits, Nature Communications 11(1), 1-14 (2020).

除了以上部分顶刊论文，John A. Rogers院士研究团队在近三年还发表了8篇PNAS：

1.PNAS: 人体动脉血压与脉搏波速的关系

参考文献：Y. Ma, J. Choi, J.A. Rogers andYonggang Huang, Relation Between Blood Pressure and Pulse Wave Velocityfor Human Arteries, Proceedings of the National Academy of Sciences115(44), 11144-11149 (2018).

2.PNAS:传导耦合柔性硅电子系统用于慢性神经电生理监测

参考文献：J. Li, E. Song, J. Viventi and J.A.Rogers, Conductively Coupled Flexible Silicon Electronic Systems forChronic Neural Electrophysiology, Proceedings of the National Academy ofSciences USA 115(41), E9542-E9549 (2018).

3.PNAS: 用于监测大脑深部神经元动态的无线光电光度计

参考文献：L. Lu, P. Gutruf, M.R. Bruchas and J.A.Rogers, Wireless Optoelectronic Photometers for Monitoring NeuronalDynamics in the Deep Brain, Proceedings of the National Academy ofSciences E1374-E1383 (2018).

4.PNAS：用于长期生物集成的大规模柔性电子/光电微系统

参考文献：Song, Enming, et al. Flexibleelectronic/optoelectronicmicrosystems with scalable designs for chronicbiointegration. Proceedings of the National Academy of Sciences 116.31(2019): 15398-15406.

5.PNAS：用于体内光遗传学/药物学治疗的轻质无源无线注射式微系统

参考文献：Zhang, Yi, et al. Battery-free,lightweight, injectablemicrosystem for in vivo wireless pharmacology andoptogenetics. Proceedingsof the National Academy of Sciences 116.43(2019): 21427-21437.

6.PNAS：记录慢性神经动力学的无线、无源皮下植入光度计系统

参考文献：A. Burton, S.N. Obaidb, J.A. Rogers, L.Lu and P. Gutruf, Wireless, Battery-free Subdermally ImplantablePhotometry Systems for Chronic Recording of Neural Dynamics, Proceedingsof the National Academy of Sciences, USA 117(6), 2835-2845 (2020).

7.PNAS：利用硬膜和软基板的界面力学来控制屈曲3D组装

参考文献：Y. Liu, X. Wang, J.A. Rogers and Y.Zhang, Harnessing the Interface Mechanics of Hard Films and SoftSubstrates for 3D Assembly by Controlled Buckling, Proceedings of theNational Academy of Sciences USA 116(31), 15368-15377 (2019).

8.PNAS：屈曲和扭转工艺实现基于先进材料的形变3D介观结构

参考文献：Zhao, Hangbo, et al. Buckling andtwisting of advanced materialsinto morphable 3D mesostructures. Proceedings of the National Academy of Sciences (2019): 201901193.

John A. Rogers院士简介

John A. Rogers教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得物理化学博士学位，曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究部主任。从2003开始，Rogers教授在伊利诺伊大学香槟分校担任材料科学与工程系讲席教授。2016年起，担任美国西北大学材料科学与工程、生物医学工程和医学学科Louis Simpson and Kimberly Querrey讲席教授，并兼任生物集成电子中心创始主任。

John A. Rogers教授是美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学院院士，电气和电子工程师协会研究员(IEEE; 2009) ,美国物理学会会员(APS; 2006) ,材料研究学会会员(MRS; 2007) ,美国科学促进协会会员(AAAS;2008)和美国国家发明家学会会员(NAl; 2013)。John A. Rogers教授在仿生电子器件的设计与制造、可穿戴生物医学电子器件等研究领域走在世界最前沿。曾获得麦克阿瑟天才奖（2009年）、麻省理工学院莱梅尔逊奖（2011年）、the IEEE EMBS Trailblazer Award （2016）以及美国机械工程师学会颁发的纳戴奖章（2017年）等多项大奖。

John A. Rogers教授课题组合影

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