互动科普

把芯片贴在大脑上

罗杰斯一直推动着柔性电子技术的发展，基于他的研究，科学家已经开发出了可以卷曲，贴在皮肤上，甚至贴在大脑表面的芯片。

本刊记者 陈彬

在网络上搜索一下罗杰斯的履历，立刻就能发现一大串头衔和荣誉：美国工程院院士、2009年获得由麦克阿瑟基金会授予的有“天才奖”之称的麦克阿瑟奖、2011年获得麻省理工学院颁发的有“发明家的奥斯卡”之称的莱梅尔逊奖（Lemelson-MIT Prize）、2011年度《自然》杂志“十大科学人物”……在刚刚过去的2013年，罗杰斯又收获了《史密森尼杂志》（这是一份由美国史密森尼学会发行的著名杂志，创刊于1970年）颁发的美国独创精神奖（American Ingenuity Awards）。

有意思的是，罗杰斯在伊利诺伊大学香槟分校的多个院系担任职位。除了材料科学与工程系之外，他还分别在该校化学系、生物工程系、机械科学与工程系、电机工程系任职。这一点非常贴切地反映了罗杰斯实验室的特点：经常从事多方合作、跨学科的研究。正是基于这种多领域跨学科的研究工作，以及极富创造力的思路，罗杰斯实验室近年来不断用令人惊叹的新发明吸引着全世界的目光。

在罗杰斯团队取得的研究成果中，很多都是基于一种新技术——这便是柔性、能拉伸的电子器件。利用这种技术，他正引领着相关领域的一场革命。他，就是卷曲芯片的人。

能卷曲的电子器件

随着科学和技术的不断进步，人类制造小体积、高性能电子器件的能力一直在不断增强。对比一下最近十几年间手机在屏幕大小、厚薄程度、功能多样性等方面的进步，你一定会有切身体会。科学家对此并不满足，通过利用新策略和新材料，他们在不断尝试设计更加高效的电子器件，并以此为基础，生产制造出各种更加便捷、高效、人性化的电子产品。目前，科学界普遍认为，“柔性”将会是电子器件未来发展的一大趋势。基于柔性电子器件的产品不仅使用起来会更加便捷，而且用途也可能会更广泛。

在柔性电子器件的研发过程中，很多科学家把注意力放到了各种有机材料上。但罗杰斯却很“固执”，他专注于用硅这种广泛使用的无机微电子基础材料，来设计制造柔性电子器件。他有自己的原因，“硅被电子工程师称作‘上帝的材料’，这种材料在自然界中含量丰富，而且高质量的单晶硅制备起来也很容易”。除了这些优点以外，罗杰斯认为，人类的手上已经有了一笔丰厚的“遗产”，在接受采访时，他告诉《环球科学》：“经过对这种材料近半个世纪的研究，对于如何利用硅制造出高效、可靠、价格低廉的电子器件，人类在科学和工程学层面都已经有了相当的经验。”相比之下，人类对有机材料还“了解不多，而且这些材料的可靠性有多大，也不是很确定”。

在以硅为基础的电子器件的制造过程中，硅片被用作一种基底（substrate）。通常，硅片既为电子器件的制造过程提供原材料，又会在电子器件制作完成后，为电子器件提供支撑，成为搭载平台。通过在硅片上进行蚀刻、离子掺入等微制造工艺，能够在这种基底上制造出各种各样的微电子器件。虽然最后会进行切削和封装，但由于始终需要使用硅片作为基底支撑物，这些电子器件始终摆脱不了坚硬、不柔韧的特点。

2006年，罗杰斯实验室的一项研究成果为制造柔性电子器件提供了新的思路。在此前的研究中，科研人员发现，当制备得非常薄时，很多电子材料都能展现出可卷曲性。因此，如果能把超薄的电子器件固定在一种具有弹性的基底材料上，那么就有可能生产出柔性的电子器件（很明显，只生产出电子器件薄膜，而不使用任何基底材料做支撑，在实际应用中将不具备可行性）。罗杰斯介绍说：“在制造过程中，硅器件需要经历高温、化学侵蚀等诸多‘严苛’的步骤，”这些步骤是弹性基底材料所无法耐受的，“我们的方法是把这些‘严苛’的步骤和最后把弹性基底材料用作支撑物的步骤分离开来”。

罗杰斯的这种方法并不复杂。首先，科学家在硅片上通过蚀刻、氧化等一系列步骤制造出需要的电子器件。接下来，利用碱性溶液，对这些电子器件下方的基底材料进行蚀刻，大面积“挖空”，使这些电子器件与基底间只有少量的连接。然后使用一种被称作“转移印刷”（transfer printing）的新技术，就能把这些“摇摇欲坠”的电子器件转印到弹性的基底材料上来。

“经过蚀刻之后，基底材料就像一个印台，而电子器件就像印台上的墨水一样。使用一个弹性‘印章’，就能把它们转印到弹性的基底材料上去，”罗杰斯介绍说。罗杰斯所说的“印章”指的是一种叫做聚二甲基硅氧烷（PDMS）的有机材料。先把PDMS“印章”按压在蚀刻后的基底材料上，然后再从基底材料上剥离，超薄的电子器件就从基底材料转移到了“印章”上。接下来要做的就是“敲章”——把“印章”按压在弹性基底材料上，剥离之后，电子器件就转印到了后者上面。使用这种方法，便能生产出柔性电子器件。

小挫折，新发现

对未来的电子器件来说，只有可卷曲程度的柔性显然还远远不够。举个例子来说，科学家希望未来的电子产品能实现与人交互的功能，这常常就要求电子产品不仅能够卷曲，还需要具有延展性，能够拉伸形变。之所以需要这样的特性，是因为要发挥其功能（比如监控人的体温、心跳等），这些电子产品有可能需要置于人体体表甚至体内，而这些地方的表面往往是不规则的曲面。只有具有了可延展性，能够拉伸，这些产品才能更加契合人体。

在科学的发展史上，有很多重要发现都源自一些意外。罗杰斯在研究过程中也有这样的经历。由于一次小小的挫折，他的实验室找到了一种制造可拉伸电子器件的方法。

实验室里的一名博士后曾经一度被转移印刷搞得焦头烂额，在印刷过程中，“他总是无法把制作好的硅器件从‘印章’上转印到最终的弹性基底材料上去”。经过仔细分析，终于找到了原因：在把电子器件转印到“印章”上时，“印章”发生了轻微的拉伸。而当电子器件转移到“印章”之后，之前的拉伸效应会被释放，这些电子器件在“印章”上就会出现一定程度的卷曲，形成“波浪样”的布局。在把这些电子器件转印到弹性基底材料上时，这种布局会导致只有那些“波峰”上的部分能够与基底材料发生接触，导致“粘性”不够，无法完成转印。

“我们并不是简单地找到并解决这个问题，我们同时还意识到，这种‘波浪样’的布局提供了一种策略，可以使硅器件具有可拉伸性，”罗杰斯说道。2006年，罗杰斯实验室在《科学》杂志上发表了他们的新发明。科学家首先把目标基底材料进行适当地拉伸，然后在这种拉伸状态下，把已经转移到“印章”上的硅器件转印到基底材料上。在释放掉拉力之后，便形成了“波浪样”的布局，这些器件的可拉伸性也随之得以实现。按照罗杰斯的类比，“原理很像手风琴的风箱”。2008年，在这种方法的基础上，罗杰斯实验室又提供了另一种方法。科学家首先把电子器件设计制造成网格状，网格的节点间以单晶硅带相互连接。在把电子器件转印到弹性基底材料上之后，单晶硅带会形成类似“波浪样”的起伏卷曲，为电子器件的形变提供缓冲，赋予其可拉伸性。研究结果显示，这种“网格”策略比“波浪样”布局效果更好。

井喷般的新发明

基于这两种新策略，最近几年，新发明像潮水一般从罗杰斯实验室喷涌而出。2011年，罗杰斯实验室把“表皮电子器件”（epidermal electronics）的概念引入科学界，研究论文发表在《科学》杂志上。在这项研究中，罗杰斯实验室利用与“网格”策略类似的方法，设计制造出了一种轻而薄，并能适应各种形变的芯片，罗杰斯将其称为“表皮电子系统”（Epidermal Electronic System, EES）。

这种芯片集成了各式各样的传感器以及射频通讯装置。传感器能够对人体的多项生理指标进行记录，而射频通讯装置的作用则是为芯片供能以及把传感器记录的信息实时传递给电脑。在使用时，只需要像贴创可贴一样轻轻一按，通过分子间的范德华力，芯片就能“粘贴”在皮肤上。

即使“粘贴”的位置是脖子、脸颊这样一些皮肤会频繁发生皱褶的区域，芯片也能牢牢地与皮肤契合，不会脱落。如果觉得皮肤上贴着这样一张满含纹理的芯片太过“极客”（Geek），你甚至可以使用纹身贴片，作为搭载这张芯片的基底支撑物。当“粘贴”到皮肤上之后，别人能够看到的，仅仅是一个普普通通的纹身。

通过芯片上集成的各类传感器，罗杰斯实验室不仅能够记录体温这样的日常生理指标，还能对使用者的心电图、脑电图和肌电图进行监控，使用者唯一需要做的就是根据监控需要，把芯片“粘贴”在体表的特定位置。有了这样一种便捷、无线的监控方式，病人将不再被各种电极、导线所包围，而是可以自由活动，使得检测能够在更加自然的状态下进行。

利用类似的策略和技术，同样是集成各种半导体元件、传感器等器件，罗杰斯实验室还发明了一种用于心脏手术，能够与体内曲面完美契合的多功能气囊导管。在进行手术时，这种导管不仅能够对大面积的组织同时进行温度、血流、电生理数据等方面的监控，帮助医生迅速找到病变区域，还能通过其中的电极实施射频消融术的治疗，以消融掉病变组织。

用蚕丝蛋白作“胶水”

要想实现人机交互，尤其是人脑与机器交互的目标，除了需要制造出极薄、能形变的电子器件之外，人类还面临着另一个挑战：如何克服体液的干扰，成功地把这些电子器件安装在人脑上，并保证这些电子器件能够与人脑实现完美地接触。如果做不到这一点，便可能会遗漏掉很多神经元的活动信息。2010年，罗杰斯实验室与多个实验室合作，发明了一种新的方法来解决这个难题。新方法的关键，竟然是看起来与电子学毫不相关的蚕丝。

科学家从蚕茧中提取出了一种名叫fibroin的蚕丝蛋白。这种蛋白不仅具有生物相容性，不会引起免疫反应，能溶解在水中并被机体所吸收，甚至可以对其“编程”，控制它们溶解到水中的速度。在使用“网格”策略制造出超薄的、能记录神经元活动的电极芯片之后，研究人员把这种芯片转移印刷到了蚕丝蛋白薄膜上，使用这种薄膜作为芯片的支持物。在验证性的实验中，轻轻地把电极芯片贴在猫（经过开颅手术）的大脑上，然后用生理盐水对蚕丝蛋白薄膜进行润洗，这些蛋白便会逐渐溶解。在溶解过程中，由于毛细管现象，电极芯片便会紧紧“粘贴”在大脑的表面，实现芯片与大脑的完美接触。利用“粘贴”上去的电极，科学家成功记录到了猫在接受视觉刺激时的神经元活动。

2013年，同样是利用蚕丝蛋白这种可溶于水的特性，罗杰斯实验室又为神经科学家提供了一种强大的研究工具。由于可以对活体动物的细胞活性进行快速操控，光遗传学（optogenetics）已经成为神经科学研究的一大利器（参见《环球科学》2008年第11期《遥控大脑》、2010年第12期《用光遥控大脑》）。然而，对于那些位于动物体内较深区域的细胞，如何提供光刺激一直是一个令人头疼的问题。即使能够提供光刺激，导光纤维还是常常会限制动物的自由活动，导致部分实验难于进行。通过把微电极（用于电生理检测）、微型的光检测器件（用于检测光的强弱）、微型的发光二极管（用于供光）、微型的温度检测器件等诸多器件集成到一起，罗杰斯实验室制造出了一种能在细胞尺度发挥多种功能，并能无线操控的柔性光电器件。

这种器件不仅能够降低手术（安装供光装置）对动物的损伤，同时还能允许动物自由活动，便于实验进行。通过蚕丝蛋白，可以把这种光电器件粘合在一根显微注射针上，利用这根针就能把光电器件送到需要的区域。在蚕丝蛋白彻底溶解在体液中之后（只需要几分钟的时间），就能够移除显微注射针，而把光电器件留在原处，为实验提供光刺激。

可溶解的电子器件

除了作为一种暂时性的“粘合剂”，罗杰斯还看到了蚕丝蛋白的另一种用途：通过使用不同方式，制备结构不同的蚕丝蛋白，科学家现在能够对蚕丝蛋白在液体环境下的寿命实现“编程”。把蚕丝蛋白作为一种“定时器”，可以控制包裹其中的电子器件的工作寿命。2012年，罗杰斯实验室再次在《科学》杂志上发表了他们的研究论文，第一次提出了“短时电子器件”（transient electronics）的概念。

使用镁作为导体，氧化镁和二氧化硅作为电介质，单晶硅纳米膜作为半导体，罗杰斯实验室制造出了极薄的电子器件。由于厚度非常薄，这些电子器件本身在水中就会溶解掉。因此，包裹它们的蚕丝蛋白的寿命，实际上就决定了这些电子器件在液体环境下的寿命。另一方面，由于这些材料的用量都很少，因此在溶解到血液中后，并不会对身体造成损害（实际上，镁和蚕丝蛋白现在已经在一些医学领域中得到了应用）。

这样一种“用完就消失”的新概念有着非常广阔的应用前景：当某一地区出现化学危险品泄露的时候，不用再让工作人员不断冒着危险去检测泄露情况了。只需要在现场放置一些短时、无线的检测器件就行了。当危机解除后，一段时间内这些电子器件就会被自然界中的水分溶解掉；当希望换个新手机的时候，你可以把旧手机中的一部分，甚至整个手机扔到马桶里溶解并冲掉，不用担心全球日益增多的电子垃圾问题……

在接受《环球科学》采访时，罗杰斯特别提到了“电子药物”（electroceutical）的功能，“这些电子器件在未来能行使监控或者治疗的功能，比如说，帮助伤口恢复或者治疗癌症。一旦伤口痊愈或者癌症治疗结束，这些电子器件便不再有用，它们就可以消失了。我们实验室正在动物上对几种这类应用进行验证性的实验”。

教授企业家

除了致力于基础研究以外，罗杰斯实验室一直都在尝试着把研究结果推向实际应用。他告诉《环球科学》，“我一直对科学感兴趣。对技术的关注则始于我在麻省理工学院读研究生的时候。随后在贝尔实验室工作期间，这种关注变得更为强烈。我们喜欢从事基础科学研究，当这些研究领域与一些有用的技术相关时尤其如此”。正是因为这样一种态度，在把科研成果转化为实际应用方面，罗杰斯已经取得了相当出色的成就：目前他持有超过80项专利，并创建或参与创建了数家创业公司。

在罗杰斯参与创建的这些公司中，MC10引起了业界极大的关注。这家公司创立于2008年，目标是研发高效、超薄、可形变、能穿戴的电子产品。这些研发中的电子产品包括能够监控运动员脱水状况的贴片、能够监控心率和心脏活动的腕带，甚至有为爱美人士设计的一种贴片，这种贴片能够监控使用者的皮肤状况，并以此为依据随时提醒使用者进行皮肤保养（比如，什么时候需要使用防晒霜，什么时候需要使用润肤水） 。

2013年7月，MC10公司与著名运动品牌锐步合作，将他们的第一款产品推向了市场。这款名叫CHECKLIGHT的产品是一顶轻便的、没有帽檐的帽子，用于监控运动员（或者参加橄榄球这样有激烈身体碰撞的体育运动的使用者）头部遭受到撞击的强弱。当遭受的撞击力量过大时，CHECKLIGHT上的LED灯会发出红色警示，提醒运动员和教练员注意。这款产品一经推出，就受到很多专业运动员的高度评价，并得到一些国际知名的设计与创新类奖项的肯定。

中国路

熊宇杰曾经于2007－2009年，以助理研究员的身份在罗杰斯实验室工作，他对罗杰斯敢想敢做的风格印象深刻。以熊宇杰参与的“柔性可拉伸的无机发光二极管显示器”研究为例，刚开始时大家都认为难度会非常大，但罗杰斯则认为，“只要原理上可行，通过大家的努力工作肯定就能实现”。经过不懈努力，这项发明最终取得了成功，于2009年发表在《科学》杂志上。

2011年，熊宇杰回国，建立了自己的研究团队。他把研究重点放在利用太阳能催化合成燃料上，熊宇杰认为，“这是一个目前在国际上来说既具有众多机遇，又充满挑战的领域”。他的团队同时也涉足高效柔性单晶硅薄膜太阳能电池的纳米制造领域，希望研究成果能为中国能源领域的发展提供新的纳米制造技术。

根据熊宇杰的介绍，目前中国对器件的微纳制造领域已经有所重视，并投入了大量资金资助相关研究。仅仅是国家自然科学基金的“纳米制造的基础研究”重大研究计划，中国就将在8年间投入1.5亿元。尽管已经有了大量的投入，熊宇杰仍认为，目前国内在这些领域上，研究和产业应用之间还存在一些脱节。但他对未来充满信心，“目前，中国在产、学、研的问题上已经有了充分的重视，我相信这个问题在不久的将来必将能够解决”。

除了活跃的科研思维，罗杰斯对待工作的态度也影响了很多人。熊宇杰说，“我们经常收到罗杰斯在凌晨六点前发出的电子邮件，周末和晚上也经常工作。在他的感染下，我们经常为突破一些课题中的难题而努力，不知不觉地工作到凌晨”。成就罗杰斯的，或许正是活跃的科学思维与努力的工作风格。

尽管已经功成名就，罗杰斯的这种风格仍然没有改变，按照熊宇杰的说法，在各项国际会议上，“他仍然来去匆匆”。

本文作者 陈彬博士是《环球科学》特约记者，长期致力于科学报道。