Nature：华人团队开发即插即用的“乐高式”通用接口，轻松组装可拉伸设备

撰文丨nagashi

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

随着技术的发展，可拉伸设备使得实时监测生理信号成为可能。这些包括软体机器人和可穿戴医疗设备在内的可拉伸设备通常由不同材料特性的不同模块组装而成——有些是柔性的，有些是刚性的，有些是封装的。

目前，用于连接模块的“商业胶水”容易发生变形、断裂，不能可靠地传输机械和电子信号。因此，为了创建灵活、可靠的可拉伸设备，如何将模块接口标准化并确保其有足够强度来执行预期的任务成为了该领域亟待解决的难题。

2023年2月15日，南洋理工大学陈晓东教授联合斯坦福大学鲍哲南教授和中科院深圳先进技术研究院刘志远研究员，在 Nature 期刊发表了题为： A universal interface for plug-and-play assembly of stretchable devices 的研究论文。

该研究开发了一种通用连接器——BIND接口，使得可拉伸设备可以像乐高积木一样简单快速地组装，同时具有出色的机械和电气性能。这种便捷接口或将成为未来高性能可拉伸设备的基石。

可拉伸设备通常由三种类型的基本模块组成：符合人类和软体机器人机械要求的软体模块，包含硅基电子元件的刚性模块，以及保护设备的封装模块。这些不同的模块通常是独立制造的，并使用“商业胶水”进行拼接和组装。

然而，模块连接点是此类设备最薄弱的部分，因为机械应力在此处高度集中，当由两个粘贴连接的软模块组成的可拉伸系统受到拉伸时，连接点往往会最先断裂。因此，开发一种坚固且简便的方法来连接可拉伸设备中的不同模块是解决这一挑战的关键。

在这项最新研究中，研究团队开发了一种新型接口，它由两种互相杂糅的材料制成：一种是柔软但不导电的弹性聚合物基质；另一种是导电的金属纳米颗粒，它们要么完全嵌入弹性聚合物中，要么部分暴露在聚合物表面。研究人员将其称为双相纳米分散接口，即BIND。

BIND接口的示意图

通过这种特殊设计，两个不同模块的BIND接口可以十分简单地按压到一起，并在不到10秒的时间内形成牢固连接，因为接口的纳米结构可以提供了两种作用力——机械连接 （通过聚合物） 和连续的电连接 （通过纳米颗粒） 。

与使用“商业胶水”的模块连接相比，BIND连接具有高度的鲁棒性和可拉伸性，并在机械变形过程中提供更强的稳定性。在进行拉伸测试时，BIND连接模块在断裂前能够承受高达原始长度7倍的拉伸，而电传输在达到其原始长度的2.8倍仍保持稳定。

BIND接口的结构分析

通过BIND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-硬模块也可以使用BIND接口进行电连接。此外，BIND接口连接的软模块封装具有很强的粘附性，界面韧性为0.24N/mm。

该研究的第一作者Ying Jiang博士表示， 这些结果证明，BIND接口可以用于构建功能强大、可靠的可穿戴设备或软体机器人。例如，它可以用于高质量的可穿戴健身追踪器，用户可以以他们最舒服的方式伸展、手势和移动，而不会影响设备捕捉和监测他们生理信号的能力。

与“商业胶水”相比，BIND接口具有更强的稳定性

更重要的是，BIND接口具有高度灵活性，可以简单快速地组装复杂的可拉伸设备。研究团队使用BIND接口开发了两个示例设备：用于测量活体动物神经活动的植入式可拉伸设备，以及佩戴在皮肤上以收集肌肉电信号的可拉伸设备。

为了证明在现实生活中应用的可行性，该团队使用BIND接口构建了可拉伸设备，并在大鼠模型和人类皮肤上进行了测试：当连接到大鼠模型上时，来自可拉伸监测设备的记录显示出可靠的信号质量；当贴在人体皮肤上时，该设备可以收集高质量的肌电图 （EMG） 信号，测量肌肉收缩和松弛时产生的肌肉电活动，甚至在水下也是如此。

通过BIND接口构建的可拉伸设备测量小鼠的神经活动

总而言之，这篇Nature论文 开发了新型“即插即用”的BIND接口，使得不同模块可以自由、简单、快速地组装成复杂的可拉伸设备，就像是拼接乐高积木一样。不仅如此，BIND接口还有许多潜在的应用，它可以使可拉伸设备从专门定制转向模块化设计，从而最大限度地提高生产力和开发效率，加速可拉伸设备的发展和普及。

基于BIND接口的皮肤肌电图电极阵列

目前，这项创新技术已申请国际专利。对于下一步研究计划，陈晓东教授表示， 他们将探索如何把BIND接口平台与其他低成本和大规模的制造技术相结合，以扩大这项创新的材料选择和最终应用，加快从实验室到产品设计和制造的转化。未来研究的其他重点包括开发可逆粘合材料和开发导电性能更好的材料，如液态金属，以降低功耗。

参考资料：

1. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05579-z

2. https://www.nature.com/articles/d41586-023-00161-7

3. https://www.eurekalert.org/news-releases/979517

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