一起当三院院士,一起发15篇Science/Nature,世界上最默契的科研合作莫过于此!
小奇 2020-05-21

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图自知社学术圈

相信做柔性材料的对这对“Happily Married Couple”是非常熟悉的,他们从2005年开始合作,合作了15年,他们一起也发了15篇Nature、Science。

奇物论编辑部整理了黄永刚院士和John A. Rogers一起发表过的Nature Science,供大家学习和交流(羡慕,好了,别YY了,这对是羡慕不来的
(如有漏选或表述有误,还望批评指出)

1. Science:可拉伸形式的单晶硅,用于橡胶基材上的高性能电子产品


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制造了一种可拉伸形式的硅,由亚微米单晶元素组成,这些元素结构成具有微尺度,周期性,波状几何形状的形状。当由弹性体基材支撑时,这种“波状”硅可以可逆地拉伸和压缩到较大的应变水平,而不会损坏硅。波的幅度和周期变化以适应这些变形,从而避免硅本身的显著应变。直接与硅集成的电介质,掺杂剂图案,电极和其他元素产生完全成型的高性能“波状”金属氧化物半导体场效应晶体管,p-n二极管和其他可用于电子电路的器件拉伸或压缩到同样大的应变水平。


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Khanget al., “A stretchable form of single crystal silicon for high performanceelectronics on rubber substrates,” Science, v 311, pp 208-212, 2006.
DOI:10.1126/science.1121401
https://science.sciencemag.org/content/311/5758/208
 
2. Science:可拉伸和可折叠硅集成电路


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已经使用导电有机材料开发了柔性电子产品,但是它们的性能比无机材料差很多。John A. Rogers和黄永刚等人已经开发出一种将硅的纳米带与塑料或橡胶状薄基材结合在一起的方法,可以在不牺牲电子性能的情况下创建坚固,灵活且可弯曲的电子产品。其设计的关键特征是,电子设备层位于中性弯曲平面中,即使整个设备非常弯曲,该弯曲平面也几乎不会受到应变。


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Kimet al., "Stretchable and foldable silicon integrated circuits,"Science, v 320, pp 507-511, 2008
DOI:10.1126/science.1154367
https://science.sciencemag.org/content/320/5875/507
 
3. Nature:基于可压缩硅光电的半球形电子眼摄像机


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人眼是出色的成像设备,具有许多吸引人的设计特征。其中最突出的是半球形检测器几何形状,类似于许多其他生物系统中发现的几何形状,它利用简单,少成分的成像光学元件就可以实现宽视场和低像差。由于已经存在用于制造这样的系统的图案化,沉积,蚀刻,材料生长和掺杂方法的固有平面性质,因此使用已建立的光电技术极其难以实现这种类型的配置。于此,John A. Rogers和黄永刚等人报道了避免这些限制的策略,并将其实现以产生基于单晶硅的高性能半球形电子眼摄像机。
 
该方法使用以不寻常的二维可压缩构造形成的晶圆级光电器件,以及能够将最初用于制造该系统的平面布局转换成半球形几何形状以最终实现的弹性传递元件。从一般意义上讲,这些方法与对其相关力学的理论分析相结合,为将发达的平面设备技术集成到复杂曲线物体的表面上提供了实用的途径,适用于传统手段无法解决的各种应用。


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Koet al., "A hemispherical electronic eye camera based on compressiblesilicon optoelectronics," Nature, v 454, pp 748-753, 2008
https://doi.org/10.1038/nature07113
 
4. Science:无机发光二极管印刷组件用于可变形和半透明显示器


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开发出制造微型无机发光二极管(LED)并将其组装并互连到不寻常的显示和照明系统中的方法。LED使用专门的外延半导体层,可以描绘和释放大量超薄器件。平面或“波浪形”形状的尺寸可能从微米到毫米,形状多样。
 
基于印刷的组装方法可以将这些设备以任意空间布局以及可能比生长晶片大得多的区域沉积在玻璃,塑料或橡胶基板上。这些LED的薄型几何形状使它们可以通过常规的平面处理技术相互连接。以这种方式形成的显示器,照明元件和相关系统可以提供有趣的机械和光学特性。


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ParkS-I, Xiong Y, Kim R-H, Elvikis P, Meitl M, Kim D-H, et al. Printed Assembliesof Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays.Science. 2009;325(5943):977-81.
https://doi.org/10.1126/science.1175690
 
5. Sciecne综述:可拉伸电子材料与机械学


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机械学和材料方面的最新进展提供了通往集成电路的途径,这些集成电路可以提供传统的基于刚性晶片的技术的电性能,但具有被拉伸,压缩,扭曲,弯曲和变形为任意形状的能力。以微结构和纳米结构形式存在的无机和有机电子材料,与弹性体基底紧密结合,提供特别吸引人的特性,并具有通向复杂实施方案的现实途径。于此,作者回顾了这些策略并描述它们在从电子眼球摄像机到可变形发光显示器的系统中的应用。最后,对商业化的途径、新设备的机会和研究的存在挑战提出了一些看法。


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Rogers JA, Someya T, Huang Y.Materials and Mechanics for Stretchable Electronics. Science.2010;327(5973):1603-7.
https://doi.org/10.1126/science.1182383
 
6. Science:表皮电子 


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报道了一类电子系统,其厚度、有效弹性模量、弯曲刚度和面积质量密度均与表皮匹配。与传统的基于晶圆的技术不同,将这样的器件层压到皮肤上会导致保形接触和充分的附着力,这种附着力仅基于van der Waals相互作用,而这种方式对于用户而言是机械上不可见的。描述了包含电生理、温度和应变传感器以及晶体管、发光二极管、光电探测器、射频感应器、电容器、振荡器和整流二极管的系统。太阳能电池和无线线圈为供电提供了选择。研究人员使用这类技术来测量心脏、大脑和骨骼肌产生的电活动,并表明所得数据包含足够的信息,可用于不常见类型的计算机游戏控制器。


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KimD-H, et al. Epidermal Electronics. Science. 2011;333(6044):838-43.
https://doi.org/10.1126/science.1206157
 
7. Science:硅电子的一种物理瞬态形式


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现代硅电子学的一个显著特点是它能够保持物理不变,几乎无限期地用于实际用途。尽管这一特性是当今集成电路应用的一个标志,但对于提供相反行为的系统来说可能是个机会,例如在医学上有用的时间范围内工作但随后通过身体吸收而完全消失的可植入设备。报道了具有这种瞬态行为的硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的一整套材料、制造方案、器件组件和理论设计工具,以及集成传感器、执行器、电源系统和无线控制策略。作为可编程非抗生素杀菌剂的可植入瞬态装置提供了系统级示例。


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HwangS-W, et al. A Physically Transient Form of Silicon Electronics. Science.2012;337(6102):1640-4.
https://doi.org/10.1126/science.1226325
 
8. Science:可注射的细胞光电技术及其在无线光遗传学中的应用


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新的半导体设备技术可将发光二极管,硅设备,致动器和传感器注入到生物组织(例如大脑)内精确控制的位置。Kim等展示了如何使用这些技术和光遗传学技术对动物模型进行无线控制,为基本的行为神经科学提供新的见解。


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KimT-i, et al. Injectable, Cellular-Scale Optoelectronics with Applications forWireless Optogenetics. Science. 2013;340(6129):211-6.
https://doi.org/10.1126/science.1232437
 
9. Nature:设计灵感源自节肢动物眼的数码相机


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在节肢动物中,进化创造了一种非常复杂的成像系统,具有广角视野,低像差,高运动敏锐度和无限景深。用节肢动物眼睛的半球形,复合布置布局来构造数码相机的一个挑战是,现有的平面传感器技术或常规光学无法满足基本的设计要求。于此,研究人员介绍了材料,力学和集成方案,这些方案为具有几乎完整的半球形形状(约160度)的节肢动物启发型相机提供了可扩展的途径。它们的表面密布着成像元件(人工眼),其数量与火蚁和树皮甲虫的眼睛相当。
 
该设备将弹性化合物光学元件与可变形的薄硅光电探测器阵列组合成集成板,可以将其从平面几何形状弹性变形为半球形,以集成到并置相机中。成像结果和基于定量射线追踪的模拟说明了操作的关键特征。这些一般策略似乎适用于其他复眼设备,例如受到飞蛾和草((折射的叠加眼),龙虾和虾(反射的叠加眼)以及家蝇(神经叠加的眼)启发的设备。


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Song,Y., et al. Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye. Nature497, 95–99 (2013).
https://doi.org/10.1038/nature12083
 
10. Science:传感器、电路和无线电的软微流控组件用于皮肤


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微电子技术的进步已经产生了高质量的器件,可以进行密集的信号收集或传输。John A. Rogers和黄永刚等人展示了如何制造一种类似于可拉伸电路板的软穿戴系统,其中电子元件通过漂浮在高粘弹性聚合物中的薄而曲折的导电迹线电桥接。建立了一个能够在皮肤上进行多信号生理传感的完整软电路,可用于健康监测或新生儿护理。

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Xuet al., “Soft microfluidic assemblies of sensors, circuits and radios for theskin,” Science, v 344, pp 70-74, 2014.
DOI:10.1126/science.1250169
https://science.sciencemag.org/content/344/6179/70
 
11. Science:将材料和设备从2D弹出到3D


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弯曲的,薄的,柔性的复杂三维(3D)结构可能很难在小规模的规模上制造。John A. Rogers、Yihui Zhang和黄永刚等人开发了一种巧妙的设计策略,用于复杂几何3D介观结构的微细加工,这种构想源自原始平面结构布局的平面外屈曲。力学上的有限元分析使设计两个2D图案成为可能,然后将其在多个点附着到先前应变的基板上。基板的松弛导致图案化材料屈服和弯曲,从而产生其3D形状。


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Xuet al., “Assembly of micro/nanomaterials into complex, three-dimensionalarchitectures by compressive buckling,” Science, v 347, pp 154-159, 2015.
DOI:10.1126/science.1260960
https://science.sciencemag.org/content/347/6218/154
 
12. Nature:用于大脑的生物可吸收硅电子传感器


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现代临床医学中的许多程序都依赖于使用电子植入物来治疗从急性冠脉事件到创伤性损伤的各种疾病。但是,标准的永久性电子硬件充当了感染的病灶:细菌沿着经皮线形成生物膜,具有在体内迁移并引发免疫介导的病理组织反应的可能性。同时,相关的手术取回过程使患者遭受与再手术相关的困扰,并使他们面临其他并发症。于此,研究人员报道了用于大脑的可植入多功能硅传感器在大鼠中的材料,设备架构,集成策略和体内演示,所有这些组成材料均通过水解和/或代谢作用自然吸收,从而无需提取。


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Kang,S., et al. Bioresorbable silicon electronic sensors for the brain. Nature 530,71–76 (2016).
https://doi.org/10.1038/nature16492
 
13.Nature:用于光遗传学调节末梢神经的无线闭环系统


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快速发展的生物电子医学领域旨在设计出通过刺激末梢神经系统从而缓解临床症状的装置系统。这类技术很大程度上依赖于电流刺激来提供器官功能/疼痛的神经调节。一个典型的例子是骶神经电刺激——用于治疗膀胱过动症,尿失禁以及间质性膀胱炎(也称膀胱疼痛综合征)。传统的连续刺激方法可能导致不舒适和疼痛感,特别是治疗间歇性症状时(例如突发性尿急)。将电极直接物理连接到神经上可能会导致患者受伤和产生炎症。此外,典型刺激手段瞄准了较大的神经束,而神经束由多重结构组成,因此这些刺激不具有器官特异性。
 
有鉴于此,华盛顿大学圣路易斯分校Robert W. Gereau IV美国西北大学John A. Rogers等人设计了一种微型生物光电植入装置,该装置通过以下手段避免了上述问题:1. 利用微米尺度无机发光二极管来刺激视蛋白的光刺激界面;2. 允许连续测量器官功能的柔性高精度生物物理传感器系统;3. 能使系统协调闭环运行,实时消除病理行为的控制模组和数据分析方法。在本文所报道的例子中,柔性应变仪可对小鼠膀胱功能进行实时监测;数据算法可以识别出病理行为,自动化闭环光遗传学可对膀胱感觉传入进行神经调节,使膀胱功能正常化。这种全光神经调节方案提供了长期稳定性和刺激特定类型细胞的潜力。


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Mickle, A.D., Won, S.M., Noh,K.N. et al. A wireless closed-loop systemfor optogenetic peripheralneuromodulation. Nature 565, 361–365(2019)doi:10.1038/s41586-018-0823-6
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0823-6
 
14. Science:双节点式无线表皮电子系统用于新生儿重症监护


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John A. Rogers等人在2019年发表在Science上的一项研究描述了一种柔软的,类似于皮肤的电子系统,旨在解决这些未满足的临床需求。在NICU中的评估研究证实了可以对心率(HR),血液氧合(SpO2),温度,呼吸频率(RR)和脉搏波速度进行临床准确测量的能力。


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Chung, H. U. et al.Binodal, wireless epidermalelectronic systems with in-sensor analytics for neonatal intensive care. Science363, eaau0780 (2019).
https://doi.org/10.1126/science.aau0780
 
15. Nature:皮肤集成的无线触觉界面,用于VR和AR


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美国西北大学黄永刚院士和John A·Rogers院士等人首次实现将复杂的触摸感融合到VR和AR中。他们发展了一种无线,无电池的电子系统平台和触觉界面,能够轻柔地层压在皮肤的曲面上,以通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息。触觉致动器通过无线供电和控制,以及能压层贴合任何类型皮肤,使其具有低耗能和安全便捷性。


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Yu,X., et al. Skin-integrated wireless haptic interfacesfor virtual and augmentedreality. Nature 2019,575, 473–479.
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1687-0
 
最后,希望大家也能找到这样子的“对象”
年年发Nature,Science!
那天天都是520!

简介:
John A. Rogers
 

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JohnA. Rogers 教授于1995年在麻省理工学院(MIT)获得物理化学博士学位,曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究部主任。从2003开始,Rogers教授在伊利诺伊大学香槟分校担任材料科学与工程系讲席教授。2016年起,担任美国西北大学材料科学与工程、生物医学工程和医学学科Louis Simpson and Kimberly Querrey讲席教授,并兼任生物集成电子中心创始主任。
 
JohnA. Rogers 教授是美国国家科学院、美国国家工程院、美国艺术与科学学院、美国医学院四院院士,同时是美国电气和电子工程师协会(IEEE)、美国物理协会(APS)和材料研究协会(MRS)等多个权威科学协会会士。此外,他是复旦大学、浙江大学荣誉教授,瑞士联邦理工学院荣誉博士。他曾获麦克阿瑟天才奖(2009年) 、麻省理工学院的莱梅尔逊奖(2011年)、美国史密森尼物理科学创造力大奖(2013年)、苏黎世联邦理工学院颁发的苏黎世化学工程奖章(2015年)以及美国机械工程师学会颁发的纳戴奖章(2017年)。
 
截止目前,John A. Rogers院士发表论文650篇以上,获批或申请中的专利超过100项;其中70余项被他共同创立的大型公司和创业公司许可或积极使用。
 
黄永刚

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黄永刚,固体力学家。现任美国西北大学冠名讲席教授、欧洲科学与艺术院院士(2010),美国国家工程院院士(2017)、欧洲科学院院士(2017)、中国科学院外籍院士(2017),美国艺术与科学院院士(2020),美国科学院院士(2020)。
 
黄永刚研究材料和电子器件的力学行为,主要科技成就包括:
1) 开创了可延展无机电子器件领域:可延展电子器件能更好适应下一代电子产品便携性、形状可变性、人体适用性等需求,在健康医疗、军事国防等领域有战略性应用,是现代信息领域革新性发展方向。无机微电子材料虽可突破有机半导体材料性能瓶颈,但受变形易损和刚性基底制备的限制,使其可延展化极具挑战。他基于力学原理原创出可延展无机电子器件的分形互联导线、硅应变隔离设计等新概念,创立定量化设计理论和制备方法,使功能无机材料在器件大变形时保持很小应变,实现超过300%的器件延展率,极大拓展了器件应用范围,开辟出电子眼相机、表皮电子等多种全新器件,相关专利被工业界用于研发生产多种柔性健康监测产品。
2) 创立了基于微观机制的应变梯度理论:传统塑性理论无法解释材料硬度在微纳米尺度的变化。他创立基于微观机制的应变梯度理论体系,成功解释纳米压痕实验尺度效应,成为该类实验的技术标准,被来自54个国家几百所大学、研究机构和公司所采用并广泛应用于微纳米力学性能测定。上述成果奠定并拓展了现代力学研究前沿,产生广泛而重要的学术影响。
 
目前,黄永刚教授出版了2本书和500多篇期刊论文,其中10篇发表在Science杂志上,5篇发表在Nature杂志上。其研究工作被ABC、BBC、Discover等媒体多次报道。自2010年以来所获研究奖项包括ASME颁发的2010年理查兹奖、2013年德鲁克奖章、2016年Nadai奖章以及2019年瑟斯顿讲座奖,此外获得奖项包括2017年工程科学学会普拉格奖章,2018年Bazant奖章,2019年美国土木工程师学会卡门奖章。

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