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基于可拉伸有机电化学晶体管的可穿戴传感计算平台

用于远程医疗保健监测和环境传感的可穿戴设备需要将传感与计算集成到单个硬件中，以提高功率效率。尽管相关研究取得进展，但实现机械拉伸性和顺应性的硬件仍面临挑战，刚性硬件与人体的机械不匹配会影响数据质量。有机电化学晶体管（OECT）是一种用于传感和计算的有前景器件，基于导电聚合物PEDOT：PSS的OECT具有优异的生物相容性和水稳定性（可达800天），适合可穿戴和植入式应用。OECT在低电压下保持高灵敏度，已有多种制造方法应用于可穿戴设备中。然而，关于内在可拉伸OECT的报道较少，未来需要开发拉伸性材料和制造方法，并进行系统级验证。

在这里，香港大学张世明教授和王中锐副教授报告了一种基于可拉伸有机电化学晶体管阵列的可穿戴传感器内计算平台（图1）。该平台在制造过程中使用粘合性超分子缓冲层，提供超过 50% 的拉伸性，从而提高了应变下界面的稳健性。作者使用高分辨率六通道喷墨打印系统制造特征尺寸小至 100 μm 的可拉伸晶体管阵列。作者还开发了用于生物信号采集的硬币大小的数据读出系统。本文展示的硬币大小、与智能手表兼容的电子模块可以提供可穿戴传感器内边缘计算。相关成果以“A wearable in-sensor computing platform based on stretchable organic electrochemical transistors”为题发表在《Nature Electronics》上，第一作者为Dingyao Liu,Xinyu Tian, Jing Bai和Shaocong Wang为共同一作。

图1：基于ISOECT阵列的硬币大小可穿戴传感器内计算单元的设计策略。

可拉伸的OECT设计

ISOECT 采用了面内结构设计，由可拉伸的SEBS弹性体基板、半导体聚合物PEDOT:PSS、固态凝胶电解质和金电极（源极、漏极和栅极）组成（图2a）。通过对各功能层材料的优化，设备具备了50%的拉伸性，能够适应皮肤变形而不影响性能。SEBS基材赋予其柔性，PEDOT:PSS作为通道材料，结合软交联剂PEGDE，提升了拉伸性和水稳定性。TAP缓冲层通过自主断裂与重组的动态键机制，进一步增强了拉伸性能，并且多巴胺基团提高了与PEDOT:PSS的粘附性，防止层间分离（图2b-c）。PDMAPS/PAA/IL离子凝胶作为固态电解质，提供了良好的环境稳定性和生物相容性，确保设备在50%应变范围内的稳定性能（图2d-g）。最终结果显示，设备在各种应变条件下的开/关比维持在10³以上，跨导超过1 mS，性能与传统硅或塑料基板上的设备相当，证实了材料方案的可行性和高效性。

图2：ISOECT 的材料策略

可伸缩 OECT 阵列的可扩展制造

通过已开发的材料解决方案，成功组装了高性能且坚固的ISOECT单元，但在构建高密度器件阵列时遇到了挑战。传统洁净室技术与可拉伸材料不兼容，导致弹性体和凝胶变形等问题。为解决这些问题，作者开发了基于多通道喷墨打印的平台。制造流程包括将TAP缓冲层印刷在SEBS基材上，使用荫罩图案化Au电极，印刷银纳米线以确保导电性。随后，打印PEDOT:PSS通道和离子凝胶电解质，所有功能层的分辨率达100μm，器件良率高达95%（图3c-f）。最终，作者在1.44 cm²区域内成功打印了10×10的ISOECT阵列，其性能与参考装置相当，并在不同应变下保持了高度一致性（图3g-j）。

图3：ISOECT 阵列的可扩展制造

用于神经形态计算的可拉伸 OECT

在确定ISOECT阵列的材料和制造方案后，作者探索了其在神经形态计算中的应用，采用了储备池计算（RC）框架（图4a），以发挥其低功耗和非线性特性。ISOECT作为类似神经元的非线性硬件单元，利用电化学掺杂过程调节通道电导，实现了多脉冲输入的可区分输出（图4b-c）。作者进一步验证了ISOECT阵列在数字图像分类中的表现，并成功将手写数字输入转化为独特的电流输出图案，表现出高达90%的预测精度（图4h）。即使工作电压降低至4 mV，ISOECT仍保持较高精度，功耗显著降低至36 nW（图4i），展示了其在低功耗和机械拉伸性上的优势，具备传统RC硬件单元尚未实现的独特性能（图4j）。

图4 用于神经形态计算的 ISOECT 阵列

用于可穿戴传感器内计算的 WISE 平台

作者提出了构建ISOECT阵列和可拉伸RC网络的方案，展示了其在可穿戴手势识别中的应用。通过结合ISOECT阵列和PERfECT系统，实现了肌电图(EMG)传感和数据计算（图5a-e）。具体过程包括：ISOECT传感器检测并放大EMG信号，PERfECT系统将信号编码为电压脉冲流，ISOECT阵列分析这些输入信号并生成预测结果。图5g-i显示，WISE平台能准确识别不同手势，运动伪影可忽略不计。相比传统人工神经网络，ISOECT显著降低了EMG信号处理中的内存成本，且能耗极低，每次操作消耗能量仅约0.035 nJ（传感）和0.56 nJ（RC），展示了其在可穿戴边缘计算应用中的优势

图5 ：用于可穿戴传感器内计算的 WISE 平台

小结

本文介绍了一种基于ISOECT技术的可穿戴健康信息学集成系统。首先，开发了一个标准化材料协议，赋予OECT内在的可拉伸性，并通过粘合超分子缓冲层(TAP)提升机械稳定性。利用多通道喷墨打印系统，实现了高产量（>95%）和精细至100μm的ISOECT阵列制造。结合硬币大小的读出装置，平台可进行EMG信号的现场处理与分析，手势识别精度高达90%。ISOECT具备低电压工作(<1V)、高Gm和良好机械性能，适合生物传感和可穿戴应用。尽管当前使用的耗尽模式PEDOT：PSS OECT具备高稳定性，未来仍需开发增强模式ISOECT以降低待机功耗，并提升频率响应以更好覆盖电生理信号。

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来源：高分子科学前沿

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