现代电子设备如果置于皮肤表面，可于医院和实验室以外为患者提供连续的健康监测。但现有的电子设备却通常非常坚硬且平面化，所以不能与柔软、复杂、弯曲且时刻变化的皮肤表面有效结合。我们通过结合柔性微流设备、粘性表面结构和可控性机械屈曲的概念，研发出了既包含硬质先进功能器件，又整体呈现低模量和高弹性的微电子系统。通过这项技术生产的设备轻薄舒适，可以直接贴合皮肤表面，实现无线模式下的复杂多功能生理信号监测。
《科学》杂志曾发表了中美科学家设计的一项成果：一种由传感器、电路及无线电装置构成的微流体器件，这种器件使微型健康监测仪成为可能。
研究负责人之一、美国西北大学的黄永刚教授表示，该器件“像皮肤一样柔软，而且能自然地与皮肤进行无缝贴合”。具体而言，它“可以扭转、折叠，而且可双向拉伸至初始长度的2倍左右”，因而不用担心它影响人们的日常生活。本文是对论文研究者徐升博士和张一慧博士共同采访手记。
记者：您为什么要开展专项研究 （这项研究起初的目的）？这项研究最为重要的发现是什么？
徐升博士: 这项研究的初衷是要将电子器件和人体结合，以使得它们可以长时间穿戴，来达到对病人健康状况的全天候监控。在这种应用上，核心的问题是电子器件的机械性能。理想的情况下，我们需要一个完全像人体一样柔软的器件。但传统电子器件是基于印制电路板上的硅制集成电路，坚硬而且平面化，很难与人的皮肤贴合。
为了解决这个问题，我们设计了一种可拉伸的结构，并研发了一系列工艺来实现这个结构；这种策略可以普遍应用到现有的电子器件。我们采取的结构是由岛状结构阵列和蜿蜒的桥状连接线组成的。当器件被拉伸的时候，岛状结构经历的形变很小，而桥状结构可以展开、弯曲、扭转，把拉伸应力转变为弯曲应力。因此，我们可以把传统的硬质材料和器件放在岛状结构上，这样可以让它们的应变最小。
记者：您所开发的新策略使这类医疗检测装置的延展性及机械顺应性同时改善了几个数量级？您对实验结果感到吃惊吗？您在实验的过程当中是否遇到了挑战？
徐升博士: 我们采取的策略使器件的可拉伸性提高了若干量级，这是一项革命性的进展，而且未来还有可提高的空间。这项成果可能令人吃惊，但是在我们的预料之中的，因为这是我们系统性的设计和新工艺的必然结果。不过，由于实验上我们解决了很多挑战和问题，我们仍对最终结果感到非常兴奋。
一个主要挑战是要达到高拉伸性能和器件的高表面覆盖率的折衷。为了解决这个两难问题，我们设计了一种几何分级结构的连接线。另外一个挑战是要尽量降低硬质器件和软质基底界面上的应变。我们结合了选择性连接和液体包覆这两种途径，有效地减小了连接面积，降低了连接线和基底之间的摩擦，从而使界面应变达到最小。
记者：这项研究发现的潜在影响有哪些？您下一步相关的研究课题是什么？
徐升博士: 我们在这项研究中展示的设计原则和工艺技术可以普遍应用于各种电子器件，使他们由硬质变为软质。这是软质电子器件领域的一项重大突破。
未来我们会进一步改良工艺技术来提高器件的可靠性和产率。我们也正在积极地跟临床医师合作，以将我们的器件真正应用在患者身上，例如睡眠呼吸暂停和精神类疾病的患者。
记者：为什么科学家用了这么长时间才开发出了能附着于皮肤的具有高度延展性的传感装置和电路？（比如，为什么多数的这类仪器仍然停留在平面的模式中且不具备延展性？）
张一慧博士: 为了开发出可附着于皮肤的可延展传感装置及电路，需要克服一些关键性的挑战及难点：首先，如何将坚硬的功能材料（例如半导体材料）或者商业芯片，集成于柔软的弹性基底上，并使整个系统同时具有大的延展率和高的功能密度。其次，如何降低这些坚硬的功能材料或者商业芯片对柔软基底材料的力学约束，进而使得整个器件系统的弹性模量非常均匀，并且与皮肤的模量相匹配；最后，如何以合适的方式对电子器件进行封装，可最小化封装对可延展导线结构的力学加载。解决这些关键性问题花费了相当长的时间。
记者：是什么样的理论基础帮助您从不具有延展性的传感装置转向柔软且具有延展性的传感装置的研究？
张一慧博士: 我们主要构思出两个新的设计理念，使得传感电子器件系统变得柔软并且具有高度延展性。一方面，我们提出电子器件系统的微流体的封装设计，使得封装材料对器件的力学加载变得可以忽略，同时使得导线结构与柔性基底之间的界面得以润滑，进而使得导线结构的自由变形变为可能。另一方面，我们提出导线结构的可逆折纸设计，具体来说，就是将导线结构制备成预先折叠的状态，因而在外力的作用下，结构会逐级展开，并使得材料中的应变最小化。
记者：实验结果对理论产生了怎样的影响？
张一慧博士: 实验结果对理论的一个重要影响，就是实验可以证实所建立理论模型的正确性，并反馈给我们到底是否需要在理论中引入其他的机理或因素。这种实验验证可以确立理论模型作为设计工具或者设计基准的适用性，而利用理论模型可以优化商用芯片的排布方式，以及电学导线结构的几何构型，进而节省大量的实验成本。
作者介绍
徐升博士
徐升博士是伊利诺伊大学香槟分校的博士后研究员。他致力于研发可自由弯曲并且可以承受巨大拉伸的可穿戴电子设备，以适应弯曲、柔软、富有弹性的人体皮肤表面。这类装置将有可能在可穿戴个人电子设备和远程医疗领域里发挥重要作用。
张一慧博士
张一慧博士目前在西北大学土木与环境工程系从事博士后研究。他一直与西北大学黄永刚课题组和伊利诺依大学（厄本那-香槟分校）的John A. Rogers课题组合作，开展可延展电子器件与屈曲微结构方面的研究。目前，他的研究主要集中于软/硬材料系统的力学理论，可延展电子的创新概念设计，以及三维微纳米结构的集成。
