中科院苏州纳米所张珽

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张珽，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师、课题组长。取得美国加州大学河滨分校博士学位；担任了全国专业标准化技术委员会委员、中国电子学会敏感技术分会（第四届）气湿敏传感技术专业委员会委员、中国科技大学纳米学院兼职博士生导师、Nature子刊Microsystems & Nanoengineering的编委会成员等学术任职。获得苏州工业园区第七届领军人才等荣誉称号。多次参加国际国内传感器、纳米技术、柔性电子学术会议做受邀报告，并担任2013年IEEE-NEMS国际会议分会主席 (Session Chair) 和2014年国际柔性与印刷电子会议（ICFPE2014）分会主席。
　　张珽研究员主要研究“微纳传感材料与信息器件”这一核心领域，主要面向传感器的物联网应用、环境实时监测、可穿戴电子、个性化医疗等下一代相关感知信息产业的重要领域，发展柔性化和微型化MEMS的新型微纳传感器技术，是后摩尔定律时代信息系统重要的组成部分和基础支撑。已在Advanced Materials、Science Advanced 等国际著名期刊上发表英文学术论文40多篇。相关工作被美国《Elsevier》、《Materials Today》、《Nanowerk》等多个知名学术网站报道。申请了中国发明专利21项（6项已获授权），国际发明专利2项，其中4项发明专利已成功许可到相关企业实现了技术转化，相关成果被中央电视台《新闻30 分》、《福布斯》杂志等报道。


姓 名:张珽        
性    别:男
职 务:
职    称:研究员
学 历:博士研究生        
通讯地址:苏州工业园区若水路398号
电 话:
邮政编码:215123
传 真:
电子邮件:tzhang2009@sinano.ac.cn
　　
研究领域：
纳米电子；
纳米传感器；
纳米制造。

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中科院苏州纳米所张珽研究员团队在柔性可穿戴电子及其应用方面取得新进展

当前人工智能快速发展，各种类人功能智能机器人层出不穷，触觉感知是人类和未来智能机器探索物理世界的基础性功能之一，发展具有触觉功能的仿生电子皮肤柔性感知器件，并实现器件与柔软组织间的机械匹配性具有重要的科学意义和应用价值。

受指纹能够感知物体表面纹理的启发，中国科学院苏州纳米所张珽研究员团队在前期研究基础上（Nano Research 2017, 10(8): 2683-2691），采用内外兼具金字塔敏感微结构的柔性薄膜衬底及单壁碳纳米管导电薄膜，设计与制备了具有宽检测范围（45-2500 Pa）、高灵敏度（3.26 kPa-1）的叠层结构柔性振动传感器件-。并建立了其摩擦物体表面时振动频率与物体表面纹理粗糙度的模型：f = v/λ（图1；v：柔性传感器相对速度运动；f：振动频率；λ：起伏间距即波长）。该柔性仿生指纹传感器可应用于物体表面精细纹理/粗糙度的精确辨别，最低可检测15 μm×15 μm的纹路，超过手指指纹的辨识能力（~50 μm×50 μm）。也能够实现对切应力、及盲文字母等高灵敏检测与识别，这些特性将在机器人电子皮肤的触觉感知、智能机械手等方面有重要潜在应用。相关结果已发表在Small (2018, 1703902, 1-9;DOI: 10.1002/smll.201703902)，并被Advanced Science News以“A New Bionic Skin; Makes Sense”为标题报道，论文第一作者是硕士研究生曹玉东和李铁博士。

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人工智能技术的发展为智能仿生感知系统的发展带来了革命性变化，同时也对器件和系统的高效信息处理能力以及舒适性、兼容性等提出了迫切的要求。基于柔性神经拟态器件的柔性仿生感知系统能够以较低的功耗处理大量的信息，同时具有良好的曲面共形特征，在可穿戴设备、人机交互、智能机器人、医疗监测及运动康复等战略新兴领域具有广阔的应用前景。柔性人工突触器件作为系统中的关键器件，由于其特殊的处理器/存储器配置结构，以及高效率并行处理大量非标准化数据的能力，近年来吸引了国内外众多研究者的关注。
       中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽研究团队围绕柔性智能感知领域，对面向智能仿生感知系统的柔性感知器件和柔性人工突触器件方面进行了探索，并取得了系列研究成果（Adv. Mater., 2014, 26, 1336; Adv. Mater., 2015, 27, 1370; Small, 2017, 1602790; Adv. Sci., 2018, 5, 1800558; Small, 2018, 14, 1703902; Adv. Mater. Technol., 2020, 5, 1900888; npj Flex. Electron., 2020, 4, 3; Microsyst. Nanoeng., 2020, 6, 84; Research, 2020, 8910692; Adv. Electron. Mater, 2020, 6, 2000306.）。
       与典型的机电感知系统不同，生物的感觉器官能够对外界信息进行检测和处理，并将处理过的信号传递给大脑进行最后的信息判断，其能量消耗仅为几个fJ/spike量级。生物感知系统具有这些优势，神经突触在其中起着至关重要的作用，通过调节突触的权重来实现信号处理以及学习遗忘记忆等功能，是生物实现感知-信息处理的基础。因此，在柔性器件中实现突触行为，研究柔性神经形态电子学并将其应用于新型仿生神经形态感知系统，在硬件层面上模拟生物大脑和感知系统功能，有望实现与生物神经信号的兼容，构建智能、高效的智能感知系统和人机交互界面。
       近期研究团队在ACS Nano上撰写了综述文章，针对最近几年国内外相关团队在基于人工突触器件的仿生感知系统领域的研究工作进行了总结分析，首先是对基于不同材料和结构的仿生人工突触器件进行了总结和归纳，根据器件的不同结构、工作机制将其分类，对每一类器件中常用的材料及其工作原理进行概述，分析了不同类型器件的优缺点以及应用场景；重点对基于人工突触器件的仿生感知系统进行了论述，对包括触觉、视觉、嗅觉、味觉、痛觉以及感觉运动系统等进行了详细的整理和探讨；最后对基于人工突触器件的智能仿生感知系统面临的问题、挑战进行了讨论，对该领域的未来发展方向进行了展望。

图：基于人工突触器件的柔性仿生感知系统

        该论文以“Flexible Artificial Sensory Systems Based on Neuromorphic Devices”为题，发表在ACS Nano上(DOI: 10.1021/acsnano.0c10049)。论文的第一作者是中科院苏州纳米所博士研究生孙富钦，通讯作者为张珽研究员，共同作者包括陆骐峰博士和冯思敏副研究员。上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、中科院脑科学与智能技术卓越中心等支持。

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在过去的二十年中，柔性电子产品因其独特性质在电子皮肤、人机界面、柔性显示、可穿戴设备、便携式能源装置和植入式器械等领域的众多潜在应用而备受关注。电纺纤维具有优异的力学性能和可调控的物理化学性能，在用于制造新兴的柔性电子产品方面展示出巨大的前景。本文全面回顾了基于静电纺丝的柔性电子（图1），包括电纺技术简介、电纺纤维多样性、电纺纤维电子器件集成策略和各种器件平台（包括电极、电阻、电容、压电/ 摩擦电、电化学和晶体管等类型）。这些基于电纺纤维的柔性电子器件可以集成多种传感模式、无线通信、自供电和热管理功能。得益于电纺纤维优异的柔韧性、坚固性、高孔隙率、多样化的纤维形态和组装形式、重量轻、制备成本低等众多优点，电纺纤维柔性电子产品在个人医疗保健和人体监测方面发挥着越来越重要的作用，可用于生物物理信号、生化信号和电生理信号检测，并可作为植入式器件促进细胞和组织再生。文章结尾，作者对现阶段工作进行了总结，并对电纺丝纤维的柔性电子领域的发展进行展望。

　　图1. 电纺纤维柔性电子性质、类型及应用示意图

　　静电纺丝广泛用于制备具有非凡性能的超细纤维，其制备获得的纤维产品具有高表面积、高孔隙率、柔韧性和结构多样化等优点，广泛应用于组织工程、药物控释、水处理、光电器件、储能器件和柔性电子等众多领域，受到学术界和工业界的极大关注。自从2000年，发表的关于静电纺丝的文章已超过5万篇。于此同时，柔性电子产业迅速发展。在过去的二十年里，发表的关于柔性电子的论文已超过3万篇。特别是最近10年，电纺纤维柔性电子发展迅速，并且呈现持续迅速发展势态，在2022年，发表的关于电纺纤维柔性电子的研究占比柔性电子整个领域超过2.5%。然而，关于电纺纤维柔性电子的高水平综述文章依旧缺乏。为了填补该空缺，本文从电纺技术与电纺纤维制备、器件平台、功能集成和应用方面详细总结电纺纤维柔性电子的研究进展。
　　作者将电纺纤维柔性电子的发展分为四个阶段：在第一阶段（2000-2012年），研究人员主要专注于导电电纺纤维的制备和电学性能调控。2012年至2016年（第二阶段），纳米生物电子支架、纳米纤维加速度计、可拉伸晶体管、柔性太阳能电池等基于电纺纤维的新型柔性电子器件开始进入人们的视野，并因其优异的性能而受到越来越多的关注。通过前两个阶段的发展，电纺纤维柔性电子在第三阶段（2016-2020）在材料和器件原型方面取得了重大进展。在此阶段，科研人员探索了许多新颖的柔性电子设备，并在各种应用场景中对其性能进行了很好的检验，例如用作可穿戴电子设备或植入式电子器件。这些柔性器件包括超薄纳米纤维网柔性器件、全纤维电子器件、基于单纤维的人工突触、心脏电子贴片等。自2020年以来（第四阶段），基于电纺纤维的电子产品在发表的文献数量和设备性能方面都取得了爆炸性的进步，并且这种快速的进步仍在继续之中。
　　电纺纤维的成分具有多样性，可以通过聚合物、小分子、胶体和复合材料加工制备，使其物理和电学性能根据具体应用具有高度的可调节性。在柔性电子器件中，电纺纤维可用作不同组件成分，如导电元件、基底材料、增强成分，甚至是构建全纤维结构器件。此外，受益于电纺纤维的多样化结构（例如，多孔、空心、核-壳、多通道和纳米带）及其组成多样（例如，单纤维、纱线、对齐纤维、随机纤维、纤维垫和 3D 多孔结构）, 电纺纤维使得柔性电子器件具有一系列特殊优势，包括柔韧性、透明性、导电性、透气性、自愈能力和耐洗性，赋予设备高性能和某些独特的功能。基于静电纺丝纤维的电子产品可以作为不同的平台，包括拉伸电极、电阻传感器、电容传感器、摩擦/压电传感器、晶体管、纳米发电机和植入式设备等，用于监测一系列人体活动、电生理信号、生物分子信号，实现随时随地获取个人健康信息。
　　文章共包含六个章节：第一章为背景介绍，第二章为静电纺丝技术和电纺纤维，第三章关于电纺纤维柔性电子平台，第四章关于电纺纤维柔性电子器件的功能集成，第五章关于电纺纤维柔性电子的应用场景，第六章为总结和展望。
　　在背景介绍中，作者介绍了电纺纤维柔性电子研究背景。随着科学技术的进步，电纺纤维柔性电子受到人们的关注迅速上升。经过近二十几年的发展，无论器件形式还是器件性能都获得了巨大的进步。电纺纤维的众多特性赋予了柔性电子独特的应用优势，使其可广泛应用于健康检测各个方面。
　　静电纺丝技术和电纺纤维章节中，作者介绍了静电纺丝技术发展简史、静电纺丝技术原理、不同静电纺丝方法、用于制备电纺纤维的材料、电纺纤维结构多样性和电纺纤维的规模化制备技术。其中，用于制备电纺纤维的材料种类多样，包括聚合物、小分子、胶体和复合材料。
　　电纺纤维柔性电子平台章节中，作者首先介绍了电纺纤维用作柔性电子平台具有多重优点，包括材料多样性、纤维形貌多样性、大比表面积、柔韧性、透气性等。接着，介绍了电纺纤维用于制备柔性电子的制备策略，可用作柔性电子的基底材料、增强成分、电活性成分，甚至用于制备全纤维结构器件。电纺纤维组装体具有结构多样性特点，柔性电子器件可基于其单纤维结构、纱线结构、二维纤维网络结构、三维纤维网络结构、纤维复合水凝胶，制备的柔性电子具有结构多样性（图4），极大丰富了电子器件的结构类型，满足不同场景的应用需求，如拉力、压力、温度、湿度、气体和电化学传感等。
　　电纺纤维柔性电子器件的功能集成章节中，作者介绍了电纺纤维柔性电子器件的功能集成，包括多模态（图5）、自供能、无限通讯功能、热管理、自清洁和生物相容性功能的传感装置和系统。上述功能的集成，有利于电纺纤维柔性电子更好地满足实际应用需求。
　　电纺纤维柔性电子具有众多应用场景，该章节中，作者重点介绍了用于人体生物物理信号、生物化学信号、生物电信号（图6）的检测和作为植入式生物电子用于促进细胞和组织再生。
　　在总结和展望中，作者表示，虽然电纺纤维柔性电子已经取得了巨大进展，但是仍旧面临诸多挑战，例如，直接制备高导电纤维、纤维器件的长期稳定性、功能集成和规模化制备等。解决上述问题，实现电纺纤维柔性电子器件服务于人们日常生活依然还有很长的路要走。
　　该综述论文以Electrospun Fiber-Based Flexible Electronics: Fiber Fabrication, Device Platform, Functionality Integration and Applications为题，发表在材料科学顶级期刊Progress in Materials Science上。中科院苏州纳米所张珽研究员为该综述通讯作者，高强博士后为该论文第一作者，共同作者还包括静电纺丝领域著名学者德国拜罗伊特大学的Seema Agarwal教授和Andreas Greiner教授。该研究得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目和中国博士后科学基金面上项目（第72批）的资助。
　　论文链接 ：