Takao?Someya教授，柔性電子領(lǐng)域全球領(lǐng)先的三位大牛之一（其他兩位分別為John Rogers教授與鮑哲南教授），東京大學(xué)電氣與電子工程系教授、普林斯頓大學(xué)的全球?qū)W者、NEDO/JAPERA項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和JST/ERATO項(xiàng)目的研究主任。Takao Someya教授的研究方向包括有機(jī)晶體管，柔性電子，塑料集成電路，大面積傳感器以及塑料執(zhí)行器。目前，其團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的研究主題為有機(jī)器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)利用有機(jī)器件的柔韌性和有機(jī)分子的獨(dú)特功能，將生物體與電子設(shè)備協(xié)調(diào)、融合，并開(kāi)發(fā)出生物有機(jī)設(shè)備。值得關(guān)注的是，其團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研制出世界上最輕、最薄的柔性集成電路，發(fā)光器件和有機(jī)太陽(yáng)能電池，并在可穿戴電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。截至目前，Takao Someya教授和他的研究團(tuán)隊(duì)在Nature，Science等知名期刊上共計(jì)發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文80余篇，累計(jì)引用次數(shù)超過(guò)35000，h因子80。
Takao Someya教授
在這里，我們回顧了近幾年Takao Someya教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在Nature、Science及其子刊上的部分研究工作，主要包括以下兩個(gè)部分：
1、高性能有機(jī)（光）電晶體管器件
2、柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用
【高性能有機(jī)（光）電晶體管器件】
1、Science:長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)完整的有機(jī)薄膜合成策略
具有高度定向、無(wú)邊界的有機(jī)薄膜可以應(yīng)用于各種高性能有機(jī)材料和器件中。然而，有機(jī)小分子的自組裝通常是通過(guò)成核-生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行的，組成分子一旦形成，就很難進(jìn)行大規(guī)模的重新排列。原則上，由有機(jī)小分子構(gòu)成的無(wú)邊界薄膜需要單點(diǎn)位成核，且在整個(gè)薄膜中重復(fù)這個(gè)結(jié)構(gòu)。這一過(guò)程對(duì)構(gòu)造微米級(jí)別內(nèi)結(jié)構(gòu)完整的有機(jī)薄膜造成了巨大的障礙。針對(duì)這一問(wèn)題，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)，利用空間填充設(shè)計(jì)，依靠二維（2D）triptycene有機(jī)小分子材料獨(dú)特的六方嵌套堆疊的結(jié)構(gòu)，通過(guò)真空蒸發(fā)、旋涂冷卻的方法，實(shí)現(xiàn)了厘米級(jí)別長(zhǎng)程結(jié)構(gòu)完整的大面積分子膜的制備。X射線衍射分析和顯微鏡觀察表明，triptycene分子形成了完全定向的2D（六邊形triptycene陣列）+ 1D（層層疊加）結(jié)構(gòu)，這是結(jié)構(gòu)有序的長(zhǎng)程傳播的關(guān)鍵。
圖1 空間填充設(shè)計(jì)的幾何模型與化合物示意圖
2、Nature Nanotechnology:少層分子膜實(shí)現(xiàn)柔性電子器件性能大提升
在有機(jī)電子學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)與無(wú)機(jī)基底（金屬或金屬氧化物等）表面的元素共價(jià)結(jié)合形成自組裝單層膜，從而降低基底表面的表面能，促進(jìn)高質(zhì)量有機(jī)晶體的生長(zhǎng)，是一種常用的提高目標(biāo)器件性能的方法。然而，對(duì)于柔性的聚合物基底而言，其表面由無(wú)定向的聚合物鏈組成，沒(méi)有特定的錨點(diǎn)與自組裝分子相結(jié)合，無(wú)法形成單分子層，大大降低了柔性電子器件的性能。針對(duì)這一問(wèn)題，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)制備了獨(dú)特的paraffinic triptycene材料，即使在基底表面沒(méi)有特定錨點(diǎn)的情況下，其自身獨(dú)特的六方嵌套堆疊的結(jié)構(gòu)也能夠組裝成致密、定向的薄膜。此外，該材料層層堆疊的特性為薄膜的厚度控制提供了便利。通過(guò)采用這一種材料對(duì)柔性的聚合物基底進(jìn)行表面功能化，能夠顯著提升后沉積的有機(jī)半導(dǎo)體材料的結(jié)晶度，從而大大提升有機(jī)晶體管器件的整體性能，大大推進(jìn)了高性能柔性有機(jī)集成電路的發(fā)展。該研究以題為“A few-layer molecular film on polymer substrates to enhance the performance of organic devices”的論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
圖1 少層triptycene膜的結(jié)構(gòu)
圖2 triptycene膜對(duì)有機(jī)晶體管器件性能的影響
3、Nature Communications:線性光響應(yīng)的高增益雙柵極有機(jī)光電晶體管
在光電探測(cè)器中，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)是成像等一系列應(yīng)用的關(guān)鍵過(guò)程。目前主要研究的光電探測(cè)器件主要分為光電二極管和光電晶體管器件。光電二極管器件由于缺乏內(nèi)在的放大機(jī)制，通常需要外部電路提供信號(hào)放大器，以提高信號(hào)的完整性。而光電晶體管器件則可以簡(jiǎn)化外部短路，其主要通過(guò)光電導(dǎo)增益為光生載流子（包括電子與空穴）提供內(nèi)在放大，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超100%的外部量子效率(external quantum efficiencies, EQE）。因此，即使是在輻照度低（次線性光響應(yīng)）的弱光條件下，高增益（high gain）檢測(cè)也能夠?qū)崿F(xiàn)。然而，在需要高分辨率和定量的光檢測(cè)應(yīng)用中，這種次線性的光響應(yīng)反而會(huì)帶來(lái)極大的困擾，反而是能夠提供線性光響應(yīng)的光電二極管器件更加實(shí)用。因此，為了綜合二者的優(yōu)勢(shì)，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)制備了一種雙柵極的光電晶體管器件，在不需要外部電路的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)光電晶體管的高增益和光電二極管的線性光響應(yīng)。此外，該器件還顯著的降低了光電晶體管的電噪聲，使得光檢測(cè)率（光探測(cè)器件的靈敏度）提高了三個(gè)量級(jí)以上。該研究以題為“Dual-gate organic phototransistor with high-gain and linear photoresponse”的論文發(fā)表在《Nature Communications》上。? ??
圖1 光電二極管、光電晶體管與雙柵極光電晶體管器件
圖2 雙柵極有機(jī)光電晶體管器件的光探測(cè)性能
【柔性電子器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用】
1、Nature:納米光柵實(shí)現(xiàn)自供電超柔性生物傳感器
柔性可穿戴電子器件具備了質(zhì)輕、可貼合皮膚以及能承受力學(xué)變形等特點(diǎn)，逐漸受到人們的青睞。尤其是在生物醫(yī)學(xué)方面，需要能夠精確連續(xù)的監(jiān)測(cè)血壓、心率等身體健康信號(hào)，而摒棄外部電源或復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。目前自供電功能的主要解決方案為柔性光伏器件，包括在物體周圍的超柔性有機(jī)電源已經(jīng)在以往的靜態(tài)測(cè)試中證明了其良好的機(jī)械性和熱穩(wěn)定性。然而，這些電源在機(jī)械變形和角度變化的情況下輸出功率極不穩(wěn)定。此外，在制造電源與傳感器的集成電路時(shí)，有必要將溫度與能量最小化，避免對(duì)器件的功能層和聚合物基底造成破壞。
有鑒于此，東京大學(xué)的Takao?Someya團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種基于納米光柵圖案的自供電生物傳感器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小白鼠心率的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)。其中，納米光柵圖案加速了電子的傳遞，提升了光電轉(zhuǎn)換的效率，同時(shí)還削弱了入射光的反射，確保了器件性能不受光照角度的影響?；铙w測(cè)試表明，由于避免了外部電源連接導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)，該自供電器件監(jiān)測(cè)的心率信號(hào)靈敏度為常規(guī)測(cè)試方法的3倍以上。該工作為下一代柔性自供電可穿戴電子器件的發(fā)展指明了新方向，并以題為“Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics”的論文發(fā)表在《Nature》上。
圖1 有機(jī)光伏器件的納米光柵結(jié)構(gòu)
圖2 心臟信號(hào)的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)
2、Science Advances:可拉伸多電極陣列實(shí)現(xiàn)心電圖信號(hào)高精度監(jiān)測(cè)
多電極陣列（multielectrode array, MEA）已經(jīng)被用來(lái)研究細(xì)胞的位置、神經(jīng)信號(hào)的傳播和多個(gè)神經(jīng)元之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及醫(yī)療診斷方面。最早報(bào)道的是在平板玻璃上制作體外MEA，并用于測(cè)試心臟和大腦切片之間的信號(hào)傳播。近年來(lái)，基于柔性基底的無(wú)創(chuàng)體內(nèi)MEA技術(shù)發(fā)展迅速，能夠接觸柔軟且移動(dòng)的活體組織。由于生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如大腦褶皺），因此有必要對(duì)裝置的柔韌性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。此外，對(duì)正在跳動(dòng)的心臟進(jìn)行心電圖測(cè)量，就要求設(shè)備具有高度的可伸展性來(lái)應(yīng)對(duì)心臟搏動(dòng)。更重要的是，通過(guò)在每個(gè)單元置入有源元件，（如有機(jī)電化學(xué)晶體管器件，OECT），MEA陣列能夠?qū)崿F(xiàn)局部信號(hào)的放大和多重尋址，有助于對(duì)信號(hào)的精確監(jiān)測(cè)。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)制備了4*4的可拉伸的網(wǎng)格狀有源OECT陣列，為了保證器件能夠在組織流血狀態(tài)下正常工作，采用PMC3A材料對(duì)陣列進(jìn)行了封裝，電性能改變小于2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該陣列直接接觸動(dòng)態(tài)跳動(dòng)的老鼠心臟，提供了信噪比達(dá)52 dB的心電圖。由于網(wǎng)格狀基底的高度一致性，記錄的數(shù)據(jù)中沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)樾呐K搏動(dòng)而引起的偽噪聲，且能夠在流血的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間（一小時(shí)）的穩(wěn)定工作。該研究以題為“Nonthrombogenic, stretchable, active multielectrode array for electroanatomical mapping ”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 基于多電極陣列的可拉伸OCET陣列
圖2 老鼠活體心臟信號(hào)記錄
3、?Nature Nanotechnology:超柔性電子實(shí)現(xiàn)心肌細(xì)胞跳動(dòng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)
在生物集成電子學(xué)中，為了盡量減少生物系統(tǒng)的固有運(yùn)動(dòng)對(duì)器件性能的影響，需要對(duì)器件的柔韌性和延展性等機(jī)械特性進(jìn)行優(yōu)化。迄今為止，多電極陣列等系統(tǒng)為柔性基底的柔性可拉伸電子器件提供了巨大的應(yīng)用潛力，然而，在不影響細(xì)胞自然運(yùn)動(dòng)的情況下，通過(guò)電探針長(zhǎng)時(shí)間的定量監(jiān)測(cè)細(xì)胞的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。心肌細(xì)胞對(duì)人體的重要性不言而喻，且心肌細(xì)胞一旦受損，后續(xù)生成的疤痕組織無(wú)法再與鄰近細(xì)胞通過(guò)電信號(hào)通訊實(shí)現(xiàn)同步收縮與擴(kuò)張。在本文章，東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)展示了一個(gè)能夠在不干擾心肌細(xì)胞正常運(yùn)動(dòng)的情況下，持續(xù)采集細(xì)胞電信號(hào)的基于金納米網(wǎng)格的超柔性電子器件。由于金納米網(wǎng)格極為優(yōu)異的柔性，附著在網(wǎng)格上的心肌細(xì)胞表現(xiàn)出與未附著細(xì)胞相似的收縮與擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)。該設(shè)備能夠在液體環(huán)境中穩(wěn)定工作96小時(shí)以上，在20%的應(yīng)變情況下也能夠保持基本的電學(xué)性能。當(dāng)對(duì)細(xì)胞施加刺激時(shí)，能夠明顯的觀察到電信號(hào)的改變。該研究以題為“Ultrasoft electronics to monitor dynamically pulsing cardiomyocytes”的論文發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
圖1 基于金納米網(wǎng)格的超柔的傳感器件
圖2 器件能夠持續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)心肌細(xì)胞的電信號(hào)
4、Nature Biotechnology:邁向新一代智能皮膚
柔性電子學(xué)、微納制造技術(shù)、微型化技術(shù)以及電子皮膚技術(shù)等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展極大的促進(jìn)了可穿戴傳感器設(shè)備的進(jìn)步。這些設(shè)備與人體皮膚高度契合，并密切相關(guān)，因而被稱為 “智能皮膚”。這一類設(shè)備為人類生物學(xué)的研究、身體各項(xiàng)信息的監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療上的檢查與治療提供了新的契機(jī)。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)綜述了最新的關(guān)于智能電子皮膚的研究。這類新一代的智能皮膚可以自愈合、可拉伸，可以被設(shè)計(jì)成人造傳入神經(jīng)，甚至可以實(shí)現(xiàn)自供電。然而，盡管智能皮膚已經(jīng)在上述幾個(gè)領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，仍然還有許多問(wèn)題需要解決，包括：1、進(jìn)一步減小設(shè)備的尺寸與干擾；2、優(yōu)化電池功率；3、提升設(shè)備穩(wěn)定性與工作壽命；4、優(yōu)化傳感器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍；5、發(fā)展新的計(jì)算方法促進(jìn)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)安全；6、增強(qiáng)設(shè)備的生物相容性。更重要的是，未來(lái)對(duì)智能皮膚的探索需要包括材料學(xué)家、生物學(xué)家、信息學(xué)家、工程師以及臨床醫(yī)生等眾多領(lǐng)域的研究者之間進(jìn)行緊密的合作以充分發(fā)揮它的潛力，才能推動(dòng)其去實(shí)現(xiàn)更加廣泛的應(yīng)用。該研究以題為“Toward a new generation of smart skins”的論文發(fā)表在《Nature Biotechnology》上。
圖1 人類皮膚結(jié)構(gòu)
圖2 智能皮膚四種研究方向：新結(jié)構(gòu)、多模傳感、多功能、新材料
5、Nature Electronics:用于生物認(rèn)證及生命體征測(cè)量的柔性傳感器
半導(dǎo)體成像器件的空間分辨率和時(shí)間分辨率的提高推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)測(cè)量和診斷技術(shù)的進(jìn)展。如熒光顯微鏡中的成像元件、內(nèi)窺鏡以及X射線等。與此同時(shí)，半導(dǎo)體器件的小型化推動(dòng)了可穿戴傳感成像元件的發(fā)展，使得器件直接接觸皮膚，從而持續(xù)監(jiān)測(cè)重要的體征成為可能。為了減少這種可穿戴傳感器受機(jī)械應(yīng)力的影響，開(kāi)發(fā)一種柔性成像儀是特別有意義的。目前，研究人員已經(jīng)發(fā)明了柔性的高速有機(jī)光探測(cè)器件，用于測(cè)量脈搏等生命體征。此外，用于指紋和血管測(cè)量的大規(guī)模光探測(cè)矩陣（254 ppi，每英寸254個(gè)單元器件）也已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)。然而，要求柔性成像設(shè)備兼具高分辨率和高速度仍然十分困難。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)將低溫多晶硅薄膜晶體管器件與高靈敏度的近紅外有機(jī)光電探測(cè)器件相集成，制備了一個(gè)兼具高分辨率（508 ppi，每英寸508個(gè)單元器件）和高速度（41 fps，41幀每秒），且厚度僅有15μm的貼合式成像器件。該器件可以輸出不到10 pA的有效光電流，還可以通過(guò)與皮膚的接觸獲得靜態(tài)生物特征信號(hào)，如指紋和血管信號(hào)等，并用于波形輸出。此外，得益于器件極高的測(cè)量精度，器件能夠以指紋等信號(hào)為基礎(chǔ)來(lái)選擇最佳的測(cè)量區(qū)域。該研究以題為“A conformable imager for biometric authentication and vital sign measurement”的論文發(fā)表在《Nature Electronics》上。
圖1 柔性成像器件的結(jié)構(gòu)
圖2 柔性成像器件對(duì)血管和指紋信號(hào)的采集
6、Science Advances:傳感驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助排尿
人造器官的發(fā)展,可以重現(xiàn)人體重要器官的功能，拓寬了疾病治療的途徑，增加了病人獲救的機(jī)會(huì)，對(duì)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域意義十分重大。膀胱作為人體器官的重要性不言而喻。在儲(chǔ)存和排尿階段，膀胱的體積容量變化巨大。人類的膀胱可以擴(kuò)大到其空狀態(tài)容量的5倍以儲(chǔ)存尿液。據(jù)報(bào)道，大約有80%的脊髓損傷病人存在著膀胱功能障礙。因此發(fā)展一種系統(tǒng)來(lái)模擬人類膀胱的功能十分有意義。此外，還可以用于輔助其他器官的蠕動(dòng)，如食道、胃以及腸道等。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)將一個(gè)能夠?qū)w積變化響應(yīng)的柔性傳感器件與一個(gè)基于形狀記憶合金的執(zhí)行器相集成，實(shí)現(xiàn)了提高膀胱排尿效率的傳感-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)膀胱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)強(qiáng)排空力的執(zhí)行器進(jìn)行排尿。系統(tǒng)對(duì)大鼠的膀胱儲(chǔ)存71%到100%尿液時(shí)的排尿作用顯示敏感度達(dá)到了0.7 μF/liter。這種傳感-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在血壓、心臟等器官的監(jiān)測(cè)與控制方面有著巨大的應(yīng)用潛力。該研究以題為“Soft sensors for a sensing-actuation system with high bladder voiding efficiency”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 傳感-驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖及生物體內(nèi)工作性能表征
7、Science Advances:超適形的納米網(wǎng)絡(luò)傳感器
超適形應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備可以直接貼合在人體皮膚上進(jìn)行持續(xù)的人體活動(dòng)監(jiān)測(cè)。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交互式機(jī)器人、人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)和治療等領(lǐng)域。然而，在保證器件持續(xù)且有效監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的前提下，如何最大限度的避免傳感器件對(duì)皮膚本身的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生限制仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。東京大學(xué)的Takao Someya團(tuán)隊(duì)以靜電紡絲的聚氨酯納米纖維網(wǎng)絡(luò)（PU nanomesh）為基礎(chǔ)，制備出了一種極為輕薄、耐久的，對(duì)人體皮膚本身運(yùn)動(dòng)無(wú)干擾的納米網(wǎng)絡(luò)應(yīng)變傳感器。聚二甲基硅氧烷（PDMS） 對(duì)輕薄的PU納米纖維網(wǎng)絡(luò)具有加強(qiáng)作用，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度及拉升性能。之后用雙面鍍金的方法得到了具有優(yōu)良傳感性能（持續(xù)性，耐久性，和線性等待）的應(yīng)變傳感器。該研究通過(guò)改變所用PDMS的濃度，可以制備出傳感性能可控的應(yīng)變傳感器，用于表征不同目的的監(jiān)測(cè)。由于其及輕，薄，柔軟的特性，使得其對(duì)人體皮膚具有超強(qiáng)的親和能力，從而不限制人體皮膚本身的運(yùn)動(dòng)。該研究以題為“A durable nanomesh on-skin strain gauge for natural skin motion monitoring with minimum mechanical constraints”的論文發(fā)表在《Science Advances》上。
圖1 超適形納米網(wǎng)絡(luò)傳感器的器件結(jié)構(gòu)
圖2 發(fā)音時(shí)，不貼傳感器（左臉）和貼了納米網(wǎng)絡(luò)傳感器（右臉）表現(xiàn)出相同的應(yīng)變分布
