斯坦福大學華人教授開發超柔性電極，可與大腦神經相兼容

這是一個「智能」風靡的時代，人工智慧、智能穿戴、腦機介面等新興科技給大眾帶來衝擊的同時，對技術和材料的要求也越來越高。例如，想要實現真正產品化、大眾化的智能穿戴，那就不能讓其笨重、僵硬的電路束縛穿戴者。另一方面，神經科學家需要將電極植入大腦，從而監測大腦活動或者傳送微弱電刺激以緩解病人疼痛等。

然而，大腦組織是非常柔軟的，而電路設備和元件則是剛性的、堅硬的，想要將兩者結合，可謂困難重重。如果有一種材料，既能具備靈敏的導電特性，又具備柔韌性，將為「智能化」進程打破一道僵硬的枷鎖。

利用新型聚合物列印出的超柔性電極：能夠拉伸至其原始長度的好幾倍（上圖）；利用該柔性電極製作的透明「電子皮膚」（electronic skin）貼片，能夠很好的與人類皮膚相貼合，從而監測多種生命指標。

近日，斯坦福大學華人教授鮑哲南（Zhenan Bao）團隊開發出一種導電性和伸展性都極佳的高分子聚合物材料，可用來製作可拉伸的柔性電極以及透明「電子皮膚」等。該研究結果報道在最新的《科學進展》（Science Advances）上。

過去十多年，鮑哲南團隊一直致力於開發新型柔性電極材料，期望使電子產品變得更加柔韌靈活，就像人體的第二層皮膚一樣。在不斷的探索過程中，該團隊將研究目光投向如何使脆性的塑料導電材料變得更加柔韌。

總的來說，鮑哲南團隊選用了一種脆性塑料導電材料，然後利用化學改性的方法，使其像橡膠一樣具備可彎曲的柔韌性，並且導電性能也獲得了略微的提升。利用該材料製作的電極具有柔性和韌性，並能與大腦中柔軟、敏感的神經相兼容，極大地解決了神經科學家的需求。

「這種柔性電極為腦機介面研究以及其他可植入電子產品開闢了許多新的、令人興奮的可能性，」鮑哲南教授說，「我們開發出的這種新材料，具有毫不遜色的電學性能以及超高的可拉伸性」。

雖然目前這種材料僅是一種實驗室原型材料，該團隊稱其將繼續開發，這僅是其後續研發人體介面柔性材料長期計劃的一部分。

柔性介面

電極作為電子設備極其重要的基礎部分，能夠傳導電流、來回傳遞信號，從而控制電子設備中不同組件協同工作。而在人類大腦中，一類稱為軸突（axon）的特殊線狀纖維則發揮著類似的作用，在神經元之間傳輸電脈衝。鮑哲南團隊所開發的可拉伸柔性塑料電極，其設計目的正是為剛性、僵硬的物理電極與人體柔性的有機電極之間提供更加無縫的連接。

論文第一作者、博士後研究員王岳（Yue Wang，音譯）說：「關於大腦有一個很多人不知道的秘密：大腦一天之內會不斷的發生體積變化，也即膨脹和消脹。當下的電子植入物不能跟隨大腦進行相應的伸展和收縮，從而使得電子植入物與大腦之間的無縫連接變得困難和複雜。」

測試儀器正在測試斯坦福大學化學工程師鮑哲南（ZhenanBao）實驗室特製的透明柔性電極在曲面上的延伸情況。

「如果我們的電極具有與大腦類似的柔韌性，那將形成更好的腦機介面，」Wang說。

為了製造這種柔性電極，研究人員首先選定一種具備基本特性的塑料：高導電性和生物相容性，也就意味著這種材料能夠與人體安全的接觸和兼容。但是這種材料有一個致命的缺點：非常脆硬，5%的拉伸量就足以使其破壞。

緊密纏繞和脆性

（A）原始材料PEDOT：PSS的分子結構；（B）分子添加劑STEC的結構；（C）典型PEDOT：PSS塑料薄膜的結構示意圖；（D）添加STEC分子強化劑的改良型PEDOT/STEC柔性薄膜結構示意圖，具備可拉伸性。（E）改良型PEDOT/STEC柔性薄膜拉伸試驗圖；（F）和（G）分別表示PEDOT/STEC柔性薄膜的應力/應變特性和應變循環特性。

為了探索如何既保持材料原有的導電性同時又增加其柔韌性，鮑哲南團隊與斯坦福線性加速器中心（SLAC）國家加速器實驗室的科學家合作，使用特殊類型的X射線在分子水平研究這種材料。

所有的塑料都是聚合物，也就是說，其分子鏈像珠子一樣串在一起。他們選定的塑料實際上是由緊密纏繞在一起的兩種不同聚合物組成：其中一種聚合物是電導體，而另一種是製造塑料過程中必需的聚合物。當這兩種聚合物結合時，產生了一種類似一串脆性球狀結構相連的塑料，其具備導電特性，但不具備柔韌性。

研究人員認為，如果能找到合適的分子添加劑來分離這兩種緊密纏繞的聚合物，就能夠防止這種脆性結晶，從而給塑料帶來更大的拉伸能力。但是，有一點必須小心謹慎：嚮導電體添加材料通常容易削弱其電信號傳輸能力。

經過了超過20種不同的分子添加劑測試後，研究者終於找到了一種合適的分子添加劑，這種分子類似於工業廚房中用於增稠湯的添加劑分子。這種分子添加劑將原始塑料分子結構中成塊的脆性分子結構轉化為帶孔的魚網結構，從而使得材料具備拉伸和變形能力。

測試結果表示，這種新材料在拉伸至原始長度兩倍時，導電性竟略有增加。並且，即使當拉伸至其原始長度的八倍時，材料的導電特性仍然很好。

鮑哲南稱，「我們最初認為，如果添加絕緣材料，得到的材料的導電性將會變得非常差，特別是我們的添加量還比較大。」但是，由於研究者對於如何調整分子結構組裝具有非常精準的理解，從而獲得了雙贏的結果：不僅保持材料原有的最高電導特性，同時將其變成非常堅韌和有彈性的柔性材料。

「通過在分子水平上了解塑料分子的相互作用，我們能夠開發出像皮膚一樣柔軟、有彈性的電子設備，並且同時保有優異的導電特性，」Wang說。

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