皮膚是人體最大的器官，不但可以感知壓力、溫度等觸覺信息，還具有柔軟、可拉伸、自我修復等多種特性。人類皮膚的觸覺非常敏銳，即使微小如蚊蠅，短時間逗留都會被覺察。對於人工電子皮膚（skin electronics）來說，儘管有了長足的進步，其觸覺還談不上“靈敏”，柔性和可拉伸性也不盡如人意，這些限制了電子皮膚在包括假肢在內的醫用裝置、可穿戴設備、虛擬現實以及機器人等領域的發展。電子皮膚的發展目標就是模擬人類皮膚的功能和特性，因此，
斯坦福大學的鮑哲南（Zhenan Bao）教授認為，完美的電子皮膚需要擁有以下3方面的特性：（1）感知外界刺激，識別觸覺信號；（2）模擬人體皮膚優異的柔性，可拉伸；（3）將感知信息傳遞給“大腦”，實現人機通信與反饋。[1]
人造皮膚傳導示意圖。圖片來源：Nat. Mater.[1]
2015年，鮑哲南團隊在人造皮膚的“觸覺”感知上取得了突破，通過整合碳納米管、有機電子材料和光控基因技術，她們在Science 報道了一種可以響應壓力變化並可以向神經細胞發送信號的新型人造皮膚。[2]（相關資訊：材料名家鮑哲南：能給神經傳導觸覺的人工皮膚）。其他也有不少研究製造了各種類型的電子皮膚，所用策略多是通過結構工程賦予剛性無機或有機器件在整體層面上的柔性。這些策略相當巧妙，但也面對諸如製造過程複雜和器件密度低等問題，使得後續的商業化前景變得不那麼光明。鮑哲南團隊認為這些電子皮膚的材料和器件在本質上並非可拉伸，這從根本上限制了電子皮膚的性能。而那些本質上可拉伸的材料和以之為基礎的器件，製備技術並不成熟，目前很難實現規模化，也就難以用於電子皮膚。
近日，鮑哲南團隊在這一領域再次做出重要突破。她們首次成功開發出可以量產的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列，平均每平方釐米的尺寸中就有347個晶體管。晶體管的平均載流子遷移率與非晶硅相當，在經歷1000次100%應變後，也只有輕微變化。這一成果不但創造了一種可拉伸的聚合物電路，其靈敏度甚至可以檢測小小瓢蟲的足跡；同時也提出了一種大規模生產柔性可拉伸電子器件的方法，為電子皮膚今後的商業化提供了可能。相關成果發表在
Nature雜誌上，共同第一作者為Sihong Wang博士和徐潔（Jie Xu）博士。
用電子皮膚感知瓢蟲。圖片來源：L.A. Cicero / Stanford University [3]
鮑哲南教授（右）和徐潔博士（左）。圖片來源：新華網（新華社記者吳曉凌攝）[4]
在電子皮膚的發展研究中，儘管此前的報道開發了不同的可拉伸晶體管和傳感器器件，而重複伸縮後，還能穩定傳遞數據的柔性晶體管陣列一直都是難以實現的目標。其難點在於器件的材料要在大應變的條件下，依舊保持穩定的導電性。鮑哲南團隊選擇具有本徵可拉伸性的聚合物，創造出平均每平方釐米347個柔性晶體管的記錄；在100%拉伸形變條件下，器件的平均遷移率為0.98 cm2 V-1s-1，不遜於基於非晶硅的器件。
柔性晶體管陣列作為電子皮膚。圖片來源：Nature
研究者利用旋塗、溶液沉積、紫外固化、氧離子刻蝕等方法相結合，製備了面積為4.4 × 4.4 cm2、共包括6300個柔性晶體管的陣列（上圖c）。具體來說，先在硅片上塗一層葡聚糖犧牲層，再通過旋塗和紫外光固化得到圖案化的可拉伸介電層（交聯SEBS）；然後利用溶液沉積法，將可拉伸的半導體聚合物（CONPHINE）與可拉伸源漏電極（碳納米管，CNT）圖案化，製備出頂接觸結構的晶體管；器件上再覆蓋一層可拉伸的SEBS基底，然後通過浸泡，使柔性器件和剛性硅片脫離；最後圖案化可拉伸柵極電極（CNT），完成製備。
可拉伸晶體管陣列製備示意圖。圖片來源：Nature
可拉伸的半導體聚合物CONPHINE。圖片來源：Nature
其中，半導體層的圖案化過程比較有趣，研究者設計了使用氟化聚合物作為犧牲層，銅掩模保護的策略，隨後用氧等離子體將基底上的半導體刻蝕掉，最後再用溶劑除去犧牲層。該方法在不同材料的可拉伸半導體器件中具有良好的普遍適用性。
可拉伸半導體層的圖案化製備示意圖。圖片來源：Nature
利用該工藝製備的晶體管具有良好的器件均一性，平均載流子遷移率為0.821 ± 0.105 cm2 V-1 s-1，最大遷移率為1.11 cm2 V-1 s-1。同時，在拉伸時器件的載流子遷移率也幾乎不發生改變。
晶體管陣列的電學性能和可拉伸性能測試。圖片來源：Nature
研究人員將這種可拉伸晶體管陣列粘在人手上時，器件並沒有因為皮膚表面的不規則和變形而受到影響，測試效果依然非常好。作為一個仿真電子皮膚，分辨率達到每2毫米1個傳感器，上面放置一個與真實大小相仿的小瓢蟲玩具，其位置可以被精確探測。而且，佩戴者沒有任何不適感覺，感覺像是“第二層皮膚”一樣。
粘貼於手掌的晶體管陣列精確測量人工瓢蟲的位置。圖片來源：Nature
“對人造皮膚和柔性電子產品的研究已經取得了很大的進展，但直到目前為止，還沒有一個可行的生產大面積可拉伸電路的方法。”鮑哲南教授說。[3]而該團隊發展的這種可規模化生產的策略，採用電子工業的常規技術，已經成功地製備出4.4 × 4.4 cm2的可拉伸晶體管陣列，器件均一性、產率、產品的電學和機械性能都很出色，將對電子設備的發展帶來革命性的改變。
Skin electronics from scalable fabrication of an intrinsically stretchable transistor array.
Nature,2018,555, 83-88, DOI: 10.1038/nature25494
導師介紹
鮑哲南
http://www.x-mol.com/university/faculty/35071
1. Pursuing prosthetic electronic skin.Nat. Mater.,2016,15, 937-950
2. A skin-inspired organic digital mechanoreceptor.Science,2015,350, 313-316
3.https://news.stanford.edu/2018/02/19/stretchable-touch-sensitive-electronics/
4.http://www.xinhuanet.com/tech/2018-02/22/c_1122434935.htm
（本文由小希供稿）
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