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在当前的科技发展浪潮中，可穿戴设备已经成为智能生活的一个重要组成部分。这些设备不仅能够监测我们的健康状态，还能提供通讯和娱乐功能。随着对可穿戴设备需求的增加，对于这些设备的性能和舒适性也提出了更高的要求。为了实现这些目标，研究者们正在探索使用柔性电子学技术来制造能够与人体皮肤无缝集成的设备。

柔性电子学是一个新兴的研究领域，它涉及到使用柔性材料来制造电子器件。这些材料通常比传统的硅基材料更加柔软和灵活，因此它们能够更好地适应人体的曲线和运动。有机电子学作为柔性电子学的一个重要分支，利用有机材料来制造电子器件，这些材料不仅成本低廉，而且重量轻，柔韧性好，非常适合用于制造可穿戴设备。

电化学晶体管是柔性电子学中的一种关键器件，它通过电化学过程来控制电流的流动。与传统的场效应晶体管相比，电化学晶体管可以在较低的电压下工作，并且能够与生物兼容的电解质一起使用，这使得它们在生物医学应用中具有巨大的潜力。

基于以上背景，香港大学张世明和南方科技大学王中锐团队探讨了如何利用可拉伸的有机电化学晶体管来构建一个可穿戴的计算平台。这个平台能够在传感器内部进行计算，减少了数据传输的需要，降低了功耗，并提高了响应速度。这篇工作以“A wearable in-sensor computing platform based on stretchable organic electrochemical transistors”为题发表在了《Nature Electronics》上。

【主要内容】

图1 基于可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列的硬币大小的可穿戴入传感器计算单元（WISE平台）的设计策略

该平台包括通过喷墨打印技术制造的ISOECT阵列，这些阵列能够实现超过50%的拉伸性。研究者们开发了一种具有粘附性的超分子缓冲层，以增强在受到拉伸时的界面鲁棒性。此外，他们还构建了一个基于ISOECT阵列的电阻-电容（RC）网络，以及一个微型化的数据读取单元，用于可穿戴式数据采集和分析。整个系统设计用于实现在传感器级别进行数据处理，从而为可穿戴健康监测和环境感测等应用提供高效的电子解决方案。

图2 用于构建可穿戴入传感器计算平台的内在ISOECT的材料策略和结构设计

上图展示了ISOECT的横截面图，其中包括用于实现高拉伸性的弹性体基底、导电聚合物通道（PEDOT:PSS）、凝胶电解质以及用于栅极（G）、源极（S）和漏极（D）的金属电极。为了提高PEDOT:PSS层的拉伸性和稳定性，研究者引入了一种软交联剂PEGDE和一种坚韧的粘合剂聚合物（TAP）作为缓冲层。TAP聚合物的侧链上接枝了多巴胺（DA）基团，以增强与PEDOT:PSS层的粘附性，防止层间剥离。此外，还采用了一种基于离子液体、聚丙烯酸（PAA）和聚（3-二甲基（甲丙烯酰氧基乙基）铵丙磺酸）（PDMAPS）的本征可拉伸离子凝胶作为固态电解质。通过系统化的材料开发、加工和组装，确保了在目标50%应变范围内每层的性能。这些材料和设计的综合使用，使得ISOECT在受到应变时性能损失最小，且开/关比保持在10^3以上，跨导（Gm）超过1 mS，证明了所建立的材料协议的可行性。

图3 ISOECT阵列的可扩展制造过程

通过采用多通道喷墨打印技术，实现了高性能、高可靠性的ISOECT单元的组装。首先，通过喷墨打印将坚韧的粘合剂聚合物（TAP）作为缓冲层印刷在预先准备好的SEBS弹性体基底上。然后，通过使用阴影掩模和蒸镀工艺在基底上形成超薄金（Au）薄膜，作为晶体管的源极（S）、漏极（D）和栅极（G）电极。接着，在互连区域印刷银纳米线墨水以确保在拉伸下的高导电性。PEDOT:PSS作为通道材料在S和D电极之间印刷，之后印刷离子凝胶电解质连接栅极和通道。所有功能层的打印分辨率都达到了100微米，并且制造出的设备具有良好的均匀性和95%以上的高成品率。

图4 基于内在ISOECT阵列的神经形态计算硬件的设计和应用

图中首先展示了ISOECT阵列对不同数字输入脉冲组合的漏电流（Ids）响应，证明了其出色的非线性特性，能够区分16种不同的输入状态。接着，探讨了使用单个ISOECT阵列对图像中的数字进行分类的能力。通过将图像中的黑白像素转换为高/低电压脉冲，并输入到ISOECT阵列（即“水库”），可以获得可区分的Ids模式。即使在拉伸条件下，这些模式也保持可区分性。此外，还展示了ISOECT阵列在不同应变条件下对混合国家标准与技术研究所（NIST）数据集中的手写数字进行预测的结果。通过主成分分析降维，可视化了ISOECT阵列编码的高维特征向量，显示了不同类别的样本形成簇状分布，而不同类别的样本则相互隔离。

图5 基于内在ISOECT阵列的WISE平台，用于实现手势识别的应用

WISE平台集成了ISOECT阵列，既可以作为电生理信号（如肌电信号）的传感器，也可以作为数据处理单元。该平台的工作原理是：首先，ISOECT传感器检测并放大肌电（EMG）信号；然后，使用滑动窗口技术对EMG信号进行采样，并将模拟信号编码为电压脉冲序列；最后，这些脉冲序列作为输入应用于ISOECT阵列，通过内部的储备计算（RC）网络进行分析和处理，最终输出预测结果。

【全文总结】

本文报道的可穿戴入传感器计算平台利用了可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT），实现了与人体皮肤形变兼容的电子设备。通过创新的材料和高分辨率喷墨打印技术，设备在机械拉伸性和稳定性方面表现出色。ISOECT阵列的非线性特性使其在低电压下进行高效的数据处理成为可能，显著降低了功耗。此外，研究者开发的微型数据读取单元与ISOECT阵列集成，形成了一个完整的可穿戴系统，准确执行手势识别等任务。该平台的低功耗、高效率和生物兼容性，预示着其在可穿戴健康监测和人机交互设备方面具有广泛的应用前景。