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可拉伸设备即插即用组装的通用接口gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

可拉伸的混合设备已经实现了高保真的植入式gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba和皮肤上的gydF4y2Ba4gydF4y2Ba,gydF4y2Ba5gydF4y2Ba,gydF4y2Ba6gydF4y2Ba监测生理信号。这些设备通常包含符合人体机械要求的软模块gydF4y2Ba7gydF4y2Ba,gydF4y2Ba8gydF4y2Ba还有软体机器人gydF4y2Ba9gydF4y2Ba,gydF4y2Ba10gydF4y2Ba,包含硅基微电子的刚性模块gydF4y2Ba11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba12gydF4y2Ba保护封装模块gydF4y2Ba13gydF4y2Ba,gydF4y2Ba14gydF4y2Ba.为了使这种系统在机械上符合要求,模块之间的连接需要承受应力集中,这可能会限制它们的拉伸,最终导致脱胶失败gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba,gydF4y2Ba17gydF4y2Ba.在这里,我们报告了一个通用接口,它可以可靠地将软模块、刚性模块和封装模块连接在一起,以即插即用的方式形成健壮的和高度可拉伸的设备。该界面由互穿聚合物和金属纳米结构组成,通过简单的按压来连接模块,而无需使用浆料。它的形成由双相网络增长模型描述。通过该接口连接的软-软模块的机械和电气拉伸性能分别达到600%和180%。软模块和硬模块也可以使用上述接口进行电连接。具有该界面的软模块的封装具有强粘接性,界面韧性为0.24 N mmgydF4y2Ba−1gydF4y2Ba.作为概念证明,我们使用该接口组装可拉伸装置,用于体内神经调节和皮肤肌电图,具有高信号质量和机械阻力。我们希望这种即插即用的接口可以简化和加速皮肤上和可植入的可拉伸设备的开发。gydF4y2Ba

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图1:可拉伸混合动力装置的BIND连接。gydF4y2Ba
图2:BIND接口与连接结构分析。gydF4y2Ba
图3:通过即插即用BIND连接组装的体内神经调节可拉伸装置。gydF4y2Ba
图4:使用即插即用BIND连接组装的21通道皮肤肌电图电极阵列。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

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下载参考gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

刘志远和G.L.感谢国家重点研究与发展计划(批准号:no.;国家自然科学基金项目(no. 2021YFF0501601);国家自然科学基金-深圳市机器人基础研究中心项目(批准号:81927804;U1913601);U2013207)。该项目由新加坡国家研究基金会(NRF)的中型中心:新加坡混合集成下一代μ电子(SHINE)中心资助计划支持。本材料中表达的任何意见、发现、结论或建议都是作者的观点,不反映NRF的观点。我们感谢A. L. Chun对手稿的批判性阅读和编辑。我们感谢布鲁克纳米表面部门的W. Sun和F. Zhao的AFM表征。gydF4y2Ba

作者信息gydF4y2Ba

作者及隶属关系gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba

贡献gydF4y2Ba

y.j和Zhiyuan Liu构想并协调了这个项目和实验。S.J.协助概念开发、样品准备和手稿撰写。J.S.制备了肌电图电极,收集了肌电图实验数据。G.Z.和H.G.用双相网络生长模型进行了分子动力学研究。T.S.进行了俄歇表征和分析。C.W.辅助有限元分析。W.L, H.J.,刘志华协助柔性PCB设计。M.Y.和Z. Lu协助设计肌电图电极。H.Z.辅助肌电图实验。G.L.指导,j.h., J.S.和Y.L.进行除膀胱外的动物体内实验。 W.Y.X.P. and S.-C.Y. performed the in vivo bladder experiments. J.X., S.W., T.L. and X.Y. assisted BIND interface fabrication. Y.J. prepared all other samples, conducted all other experiments and wrote the manuscript. Z.B. and X.C. directed the project. All authors read and revised the manuscript.

相应的作者gydF4y2Ba

对应到gydF4y2Ba志远刘gydF4y2Ba,gydF4y2Ba鲍哲南gydF4y2Ba或gydF4y2Ba小东陈gydF4y2Ba.gydF4y2Ba

道德声明gydF4y2Ba

相互竞争的利益gydF4y2Ba

刘志远、刘志远、薛春是该国际PCT专利(编号:no。PCT/SG2022/050607,优先日2021年8月26日,申请日2022年8月25日,待定)由南洋理工大学提交,包括本文报道的BIND接口和BIND连接。gydF4y2Ba

同行评审gydF4y2Ba

同行评审信息gydF4y2Ba

自然gydF4y2Ba感谢Jadranka Travas-Sejdic、Yihui Zhang和Rebecca Kramer-Bottiglio对本工作的同行评议所作的贡献。gydF4y2Ba

额外的信息gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。gydF4y2Ba

扩展的数据图形和表格gydF4y2Ba

扩展数据图1通过常规粘贴或BIND接口连接的软模块的机电性能。gydF4y2Ba

模拟gydF4y2Ba,原理图(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)及照片(gydF4y2Ba罪犯gydF4y2Ba)的两个软PDMS/Au模块连接使用商用ACF。连接区域的应力集中导致50%应变时的电失效(gydF4y2Bab, cgydF4y2Ba)和76%应变下的机械失效(gydF4y2BadgydF4y2Ba).gydF4y2Ba超高频gydF4y2Ba,原理图(gydF4y2BaegydF4y2Ba)及照片(gydF4y2Baf-hgydF4y2Ba),在没有任何浆料的情况下连接的两个BIND接口的电导率可达180%应变(gydF4y2Baf, ggydF4y2Ba),即使在> 600%应变(gydF4y2BahgydF4y2Ba).gydF4y2Ba我gydF4y2Ba与使用商业浆料的连接不同,BIND连接即使在180%应变(左)下也保持导电(由低电阻变化所示)。右侧低应变区(0-50%)放大图显示BIND连接在50%应变时相对电阻变化< 4倍。gydF4y2Ba

图2 BIND界面的机电性能取决于蒸发速率和厚度。gydF4y2Ba

a、bgydF4y2Ba,图表(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)及等高线地图(gydF4y2BabgydF4y2Ba)显示了单个BIND界面的电拉伸能力随蒸发速率和厚度的函数关系。在最低蒸发速率(0.1-0.2 Å/s)和最低厚度(45 nm)下,得到了非导电界面。随着蒸发速率或厚度的增加,电拉伸性达到峰值,然后下降到~40%。gydF4y2Bac, dgydF4y2Ba,图表(gydF4y2BacgydF4y2Ba)及等高线地图(gydF4y2BadgydF4y2Ba)表明,软-软BIND连接的电拉伸性能随蒸发速率和厚度的变化与中单个BIND接口相似gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba而且gydF4y2BabgydF4y2Ba.只有蒸发速率(0.5-1.0 Å/s)和厚度(45-60 nm)的有限组合才能形成BIND连接。较低的速率和厚度导致不导电连接,而较高的速率和厚度形成不粘接界面。gydF4y2Bae, fgydF4y2Ba,图表(gydF4y2BaegydF4y2Ba)及等高线地图(gydF4y2BafgydF4y2Ba)表明,软-软BIND连接的力学拉伸性能随蒸发速率和厚度的增加而单调降低。错误条gydF4y2BaA c egydF4y2Ba是来自3-5个样本的sd。gydF4y2Ba

扩展数据图3软-软BIND连接使用方便,具有抗撕裂性能。gydF4y2Ba

得了gydF4y2Ba,按下时间(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba),施加的压力(gydF4y2BabgydF4y2Ba)和剥落方向(gydF4y2BacgydF4y2Ba)对BIND连接的粘接强度影响不大,说明BIND接口易于使用。在0.001 MPa的低压下简单按压1 s (gydF4y2Ba即gydF4y2Ba(普通手指按)足以连接BIND接口。与扩展数据图中的研究一致。gydF4y2Ba2gydF4y2Ba无粘接连接(120 nm厚Au层)无论压力如何都不能粘接。由于搭接剪切试验在实际应用中较为普遍,因此在其它表征中均采用搭接剪切试验。gydF4y2BadgydF4y2Ba与易断裂的ACF连接不同,BIND连接耐切割。ACF和BIND接头中间初次切割(~ 1mm)的搭接剪切试验表明,BIND接头承受撕裂力>1.4 N (gydF4y2BadgydF4y2Ba),即使在> 500%应变下仍可拉伸(gydF4y2BaegydF4y2Ba).照片显示初次切割的ACF连接在50%应变下很容易在切割部位断裂(gydF4y2BafgydF4y2Ba),而BIND连接的初始切口仍可拉伸500%的应变(gydF4y2BaggydF4y2Ba).错误条gydF4y2Ba得了gydF4y2Ba是来自3-4个样本的sd。错误条gydF4y2BaegydF4y2Ba是来自3个样本的sd。gydF4y2Ba

图4 BIND连接的优点gydF4y2Ba

a、bgydF4y2Ba,原理图(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)及照片(gydF4y2BabgydF4y2Ba),显示模块A和模块B上的两个模式BIND接口通过BIND连接面对面连接。插图在gydF4y2BabgydF4y2Ba: BIND连接导电,可点亮LED。gydF4y2BacgydF4y2BaBIND连接扩展到其他导电材料,如银/银和银/金连接,也显示出强大的电气和机械拉伸性能。gydF4y2BadgydF4y2Ba,软模块连接到带有6个电极通道的柔性PI模块的照片,通过软硬BIND连接。gydF4y2BaegydF4y2Ba软刚性BIND连接涉及刚性或柔性基材,如PI, PET,玻璃和金属,与各种商业浆料的传统连接相比,显示出更高的电气(~200%)和机械(~800%)拉伸能力。gydF4y2BafgydF4y2Ba, BIND接口上SEBS封装层的界面韧性(0.24 N/mm)远大于常规PDMS/Au接口上粘结的各种其他类型的封装层。所有封装层厚度均为~100 μm。gydF4y2BaggydF4y2Ba,一对电极上BIND封装(~300 nm)的SEM图像,露出两个用于信号采集的衬垫(放大视图中的SEM)。比例尺gydF4y2BaggydF4y2Ba: 100µm。gydF4y2Bah-jgydF4y2Ba、单个BIND接口、BIND连接、BIND封装分辨率可达100µm。两BIND接口的电拉伸性能(gydF4y2BahgydF4y2Ba)和BIND连接(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba)随线宽的减小而减小,而机械拉伸性能保持相对稳定。整体宽度保持5毫米。插图:暴露面积为100 × 100 μ m的BIND封装的SEM图像gydF4y2Ba2gydF4y2Ba.比例尺:50µm。误差条是3-4个样本的标准差。gydF4y2Ba

图5表面AFM映射显示了在非导电、BIND和非粘合界面上,暴露的聚合物与金属相的比例下降。gydF4y2Ba

得了gydF4y2Ba, AFM模量映射显示表面聚合物/金属比从非导电界面开始降低(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba),以绑定接口(gydF4y2BabgydF4y2Ba),到无胶界面(gydF4y2BacgydF4y2Ba),这与黏附映射是一致的(图;gydF4y2Ba2gydF4y2Ba).由于模量差异大,聚合物和金属相很容易区分,分别用蓝色和黄色标记。gydF4y2Bad-fgydF4y2Ba, AFM高度映射显示非导电界面高度变化相似(gydF4y2BadgydF4y2Ba)和BIND接口(gydF4y2BaegydF4y2Ba),因为它们的高度变化来自半浸金纳米颗粒。对于非粘合界面(gydF4y2BafgydF4y2Ba),高度变化来自于金纳米颗粒在聚合物顶部的堆叠,因此变化范围与非导电界面和BIND界面略有不同。比例尺:100 nm。gydF4y2Ba

图6横断面AFM映射显示非导电、BIND和非粘附界面内穿透金纳米颗粒减少。gydF4y2Ba

a、bgydF4y2Ba, AFM高度(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和附着力(gydF4y2BabgydF4y2Ba) BIND连接的映射显示聚合物和金属相具有互穿结构。比例尺:100 nm。gydF4y2BackgydF4y2Ba、AFM高度、附着力和电流映射表明,非导电连接(gydF4y2Ba一部gydF4y2Ba)比BIND连接具有更多的互穿金纳米颗粒(gydF4y2Baf-hgydF4y2Ba),而非粘接界面内几乎没有互穿Au (gydF4y2Bai (kgydF4y2Ba).非导电连接和BIND连接是将两个接口压在一起形成的,而非粘性连接是将环氧树脂粘在非粘性接口上形成的。白色虚线gydF4y2Ba我gydF4y2Ba显示环氧树脂边界,超出环氧树脂区域被删除,以更清楚地查看gydF4y2Baj - kgydF4y2Ba.比例尺gydF4y2BackgydF4y2Ba: 400 nm。gydF4y2Ba

扩展数据图7gydF4y2Ba在活的有机体内gydF4y2Ba神经调节BIND装置可兼容不同大小的组织,具有抗触摸和拉伸的机械鲁棒性。gydF4y2Ba

安妮gydF4y2Ba, BIND电极共形包裹腓总神经(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)、坐骨神经(gydF4y2BabgydF4y2Ba),gydF4y2Ba腓骨长肌gydF4y2Ba肌肉(gydF4y2BacgydF4y2Ba)不缝合。当放置在大脑皮层上时,也可以实现适形接触(gydF4y2BadgydF4y2Ba),或缝合于膀胱壁上(gydF4y2BaegydF4y2Ba).膀胱实验在未来可以进一步改进,将BIND电极包裹在膀胱周围,避免缝合。gydF4y2Ba外:我gydF4y2Ba、机械干扰,例如触摸(gydF4y2BafgydF4y2Ba),阴极拉动(gydF4y2BaggydF4y2Ba)和阳极拉(gydF4y2BahgydF4y2Ba)对刺激坐骨神经时的刺激效果影响不大。在这里,BIND电极的超薄部分包裹在坐骨神经上,而粗接线部分通过BIND连接传递信号。刺激效果以大鼠踝关节在施加干扰时的移动距离来衡量(gydF4y2Ba我gydF4y2Ba).误差条是7-10个动作的误差条。gydF4y2Baj - kgydF4y2Ba,三维图显示BIND接口阻抗是典型的金属基可拉伸电极(gydF4y2BajgydF4y2Ba).在相关频率范围内(gydF4y2Ba如gydF4y2Ba, ECoG 10-50 Hz, EMG 10-500 Hz),阻抗保持低,几乎不变,直到~70%应变(gydF4y2BakgydF4y2Ba).未来可以通过多种方法改善超薄电极的界面阻抗(gydF4y2Ba如gydF4y2Ba,在界面上涂上PEDOT:PSS等低阻抗材料,或增加表面积)。由于BIND连接是通过Au纳米颗粒之间的欧姆接触来构建电通路的,因此其对阻抗的影响与直流测试中电阻的影响相同。gydF4y2Ba

扩展数据图8gydF4y2Ba在活的有机体内gydF4y2Ba神经调节BIND电极有多种应用,包括皮下CMAP、皮层ECoG和膀胱,显示了其使用的普遍性。gydF4y2Ba

fgydF4y2Ba为了同时进行神经刺激和CMAP记录,将一个BIND电极包裹在腓总神经周围,另一个包裹在腓总神经周围gydF4y2Ba腓骨长肌gydF4y2Ba肌肉(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba).刺激电流施加于腓总神经,平行电阻为250 Ω。(gydF4y2BabgydF4y2Ba).当刺激电流达到阈值时触发CMAP的P-P电压,然后升高并趋于平稳(gydF4y2BacgydF4y2Ba).CMAP记录的光谱显示,在典型CMAP频率范围(10-500 Hz)内,功率密度明显(gydF4y2BadgydF4y2Ba).脚踝的运动是通过距离来测量的,gydF4y2BadgydF4y2Ba,以前的鼠踝(gydF4y2BaegydF4y2Ba)及期间(gydF4y2BafgydF4y2Ba)刺激。gydF4y2Bag hgydF4y2Ba,大脑皮层4通道用于ECoG记录的BIND电极,由超薄电极模块和粗接线模块(gydF4y2BaggydF4y2Ba).健康大鼠和癫痫大鼠的ECoG信号在振幅和频率上存在差异(gydF4y2BahgydF4y2Ba).gydF4y2Bai (kgydF4y2Ba,膀胱刺激时,将两个BIND电极缝合在膀胱壁上以传输电脉冲,通过外部压力传感器记录膀胱收缩情况(gydF4y2Ba我,我gydF4y2Ba).用于膀胱记录,一个BIND电极包裹在膀胱上。通过导管将生理盐水注入膀胱,并用BIND电极检测相应的膨胀(gydF4y2BakgydF4y2Ba).gydF4y2Ba

图9通过BIND连接组装的21通道EMG电极显示了高信号保真度和抗机械干扰,包括连接压和拉伸(50%)。gydF4y2Ba

a - bgydF4y2Ba,由连接acf的控制电极(gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba)和BIND电极(gydF4y2BabgydF4y2Ba)表明,按下/释放软布线与定制PCB之间的连接会在控制电极中诱发噪声信号,特别是动作。BIND电极的肌电信号噪声较小,受压时和受压后肌电信号清晰,显示其抗压性。gydF4y2Bac ggydF4y2Ba,除压制外,BIND接头还能抗50%拉伸干扰。软线与定制PCB的BIND连接一侧固定,另一侧手动拉伸至50% (gydF4y2BacgydF4y2Ba).在拉伸时,两个电极都有噪声信号,但BIND电极的较大信噪比表明它可以检测到应变下的信号(gydF4y2Bad、egydF4y2Ba).释放应变后,控制电极的噪声更大,但在释放应变后,两个电极都恢复了检测肌电信号的能力(gydF4y2Baf, ggydF4y2Ba).所有信号都经过50 Hz陷波滤波器和30 Hz高通滤波器。错误条gydF4y2Bad、egydF4y2Ba是来自21个频道的s.d.。gydF4y2Ba

扩展数据图10通过BIND连接组装的21通道肌电图电极可以映射在空中和水下的各种手和手指手势,具有抗干扰的机械阻力。gydF4y2Ba

一个gydF4y2Ba, BIND电极在空气中检测手势(握紧、张开、抬起和弯曲)、手指运动(单个手指的伸展)和最大自主收缩(MVC,由握力测力仪测量)的EMG信号。gydF4y2Ba罪犯gydF4y2Ba,即使在水下,BIND电极也能检测到不同手和手指手势的高信噪比EMG信号(gydF4y2BabgydF4y2Ba)和耐压(gydF4y2BacgydF4y2Ba)和50%菌株(gydF4y2BadgydF4y2Ba)。在压力或50%应变之前、期间和之后都可以看到高质量的信号,噪声很小。在这里,整个BIND电极,包括两个BIND连接,都浸泡在水中。信号gydF4y2Baa、bgydF4y2Ba分别使用50 Hz陷波滤波器和10 Hz高通滤波器。信号gydF4y2Bac, dgydF4y2Ba分别使用50 Hz陷波滤波器和30 Hz高通滤波器。gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

补充信息gydF4y2Ba

此文件包含补充说明1-4,图1-12,视频1-8的图例和参考资料。gydF4y2Ba

补充视频1gydF4y2Ba

坚固的布线,防止机械干扰。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频2gydF4y2Ba

同时在体CMAP刺激和记录。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频3gydF4y2Ba

健康大鼠和癫痫大鼠的ECoG记录请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频4gydF4y2Ba

即插即用的21通道EMG电极阵列组装。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频5gydF4y2Ba

21通道皮肤肌电图检测中的机械干扰。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频6gydF4y2Ba

通过21通道BIND电极(空气中)进行手势检测。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频7gydF4y2Ba

21通道EMG BIND电极的水下性能。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

补充视频8gydF4y2Ba

即插即用的定制多功能电路组装。请参阅主要补充信息PDF以获得完整的描述。gydF4y2Ba

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蒋勇,季胜,孙杰,李志强。gydF4y2Baet al。gydF4y2Ba可拉伸设备即插即用组装的通用接口。gydF4y2Ba自然gydF4y2Ba614gydF4y2Ba, 456-462(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05579-zgydF4y2Ba

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