隔空操作电脑！清华团队电子皮肤成果登Science子刊封面
智东西（公众号：zhidxcom）
编译 | 杨畅
编辑 | 三北
智东西3月17日消息，3月16日，清华大学团队的电子皮肤新技术登上著名学术顶刊Science的子刊Science Advances封面。该技术开创柔性电子器件布局新思路，未来可能用于可穿戴设备、体感鼠标等多种领域。
该柔性电子器件技术兼顾了弹性拉伸能力和足够的功能密度，使用该技术研制的柔性材料拉伸弹性为20%，IC面积覆盖率为110%，与人体皮肤有类似的高透气性和仿生机械响应能力。
该研究论文来自清华大学张一慧课题组团队。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm3785#con1
一、手背贴上小机关，就能隔空操作电脑
研究人员展示了其电子皮肤新技术可以做到的一系列应用。他们先利用新技术做出了一个小型化柔性电子器件。
这个小型化柔性电子器件里面装有监测运动加速度、运动速度等运动数据、周围环境的磁场、温度、湿度等环境数据的电子器件和一些其他功能的电子器件。
测试人员将该小型化柔性电子器件贴在手背上，作为体感鼠标来操作电脑，演示如何不接触电脑还能完成推箱小游戏。
测试人员测试用小型化柔性电子器件玩推箱子游戏
除此之外，该小型化柔性电子器件还能做指南针显示屏、测温湿度、捕获运动数据、辅助心率测量等等。
研究人员还尝试了将这个器件安装在测试人员胸前，让器件监测运动人员休息、步行、慢跑、再休息循环期间的加速度、温度和相对湿度数据。
测试人员测试用小型化柔性电子器件监测运动数据（图中F部分，其他部分为其他测试时的数据）
二、兼顾双重关键性能，弹性超固体封装技术7.5倍
从健康监测、疾病治疗到物联网、机器人，再到VR、AR，柔性电子器件的应用范围广泛。但是柔性电子器件系统主要要依赖于高性能电子器件与有弹性的基板的集成。
要想实现整个柔性电子器件系统高度延展，关键是整个系统的结构要足够巧妙。通常，整个柔性电子器件系统会受到其中的刚性、脆性电子器件的限制。
这种柔性电子器件系统有两个关键性能指标：电子器件可伸缩性和功能密度。其中，功能密度是指单个组件的面积覆盖率。
清华大学张一慧课题团队的研究人员通过堆叠多层网状材料（stacked multilayer network materials ，缩写：SMNMs）作为集成和封装柔性电子设备的框架，实现了比通用的固体封装方法更好的效果。
首先是堆叠构型明显增加了柔性电子器件系统的功能密度，能部署的电子器件更多了。其次，网状结构不会对电子器件之间导线形成约束，与固体封装模式相比，导线的延展度可以增强约7.5倍。
另外，因为这种设计还具有与人体皮肤的非线性应力—应变曲线相匹配的高透气性和仿生机械响应性能，所以该堆叠多层网络材料还可以提高贴人体皮肤上时的舒适度。
三、电子器件覆盖率超100%，已有试验成品
在团队研发的这一柔性电子器件系统中，电子器件被焊在基板材料上，之间用蛇形导线连接。
研究人员将网状材料作为封装电子器件的基板材料，这样可以降低对器件间导线的约束，同时利用网状材料存在的缝隙容纳蛇形导线收到拉力后拉伸产生的形变。
基于双层网状材料封装的蛇形导线拉伸变形状态（单轴模式）
因为，在单轴拉伸情况下，网状封装比固体封装对于蛇形导线的限制更小一些。
基于固体封装（PDMS）的蛇形导线变形状态（单轴模式）
同时，研究人员将网状基板材料层叠放置，这样就增加了柔性电子器件的功能密度。这样处理还有一个好处是，整个器件变得更小了。
基于SMNMs的可伸缩互连组合集成和封装策略的概念说明
基于SMNMs布局理念，研究人员开发处理一个三层电路加一层封装的小型化柔性电子器件，也就是上文提到的研究人员用来测试的那个电子器件。这个器件包含42个IC，多条蛇形导线。整个器件的横向尺寸约为11.2mm x 10.1mm。在拉伸过程中，IC和蛇形导线不会相互接触。
这样整个柔性电子器件系统的电子器件覆盖率也因为三层电子器件叠加出现面积覆盖率为110%的情况。该柔性电子器件系统的双向延展率也能达到20%。
研究人员做出的小型化柔性电子器件实物
结语：柔性电子器件研究为可穿戴设备增加更多可能
清华大学研究团队研究出的这种柔性电子器件系统兼顾了可伸缩性和功能密度这两个矛盾的性能，同时两种性能表现都不错。他们还展示了一些可能的应用，比如说运动监测、非触摸式控制。
可穿戴设备比如智能手表、VR眼镜等发挥核心作用的目前都是一些刚性的电子器件组合，随着柔性电子器件技术的发展，未来这些可穿戴设备会有更多可能，形态也会更加丰富。
来源：Science Advances
如何让激光器更迷你？上海科学家最新成果登上《自然》封面
澎湃新闻资深记者 朱奕奕
超快、超高、超强！自由电子激光的出现，提供了一种全新的高亮度X射线光源，有助于超快化学、结构生物学、物质材料等领域的研究。
《自然》封面 光机所 供图
如何让X射线自由电子激光器的研制更小型化、低成本？在上海嘉定，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，利用自行研制的具有国际领先综合性能的超强超短激光装置，在基于激光加速器的小型化自由电子激光研究方面取得突破性进展。
实验室 光机所 供图
研究团队通过显著提升激光尾波场加速的电子束品质，并结合创新设计的紧凑型束流传输与辐射系统，实验上首次实现了基于激光加速器的自由电子激光放大输出，典型激光波长27纳米，最短激光波长可达10纳米级，单脉冲能量可达100纳焦级，国际率先完成了台式化自由电子激光原理的实验验证，对于发展小型化、低成本自由电子激光器具有重大意义。相关研究成果于2021年7月22日作为封面文章发表于《自然》杂志。
电子激光原理。光机所 供图
电子激光原理。光机所 供图
自由电子激光是实现X射线波段高亮度相干光源的迄今最佳技术途径，X射线自由电子激光可用于探测物质内部动态结构和研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用过程，极大的促进物理、化学、结构生物学、医学、材料、能源、环境等多学科的发展。研制小型化、低成本的X射线自由电子激光成为其重要的发展方向，对于拓展应用和产生变革型技术都是极其重要的。
超强超短激光驱动的尾波场电子加速机制，可以提供比射频电子加速器高三个数量级以上的超高加速梯度，因而成为研制小型化高能电子加速器的主要技术路线。
国际上自2004年首次在实验上取得激光尾波场电子加速的突破以来，利用激光尾波场加速器驱动的小型化自由电子激光，特别是X射线波段的自由电子激光，便成为该领域科学家共同追求的前沿。
近年来，激光尾波场加速已经取得许多重要进展，但是对于驱动自由电子激光而言，无论是电子束品质还是稳定性，都还面临着诸多问题与挑战，相关的研究还处于起步阶段。中科院上海光机所研究团队一直致力于激光加速电子束品质与稳定性的提升，通过设计特殊的等离子体密度分布结构，优化控制电子束的注入过程与加速过程，使得电子束综合品质（包括能散、发射度、电量等）得到有效的提升。
同时，通过控制与优化电子束相空间演化实现了电子束从等离子体到真空的平稳过渡，并设计相应的束流传输与波荡器辐射系统，实现电子束长距离传输并有效耦合至波荡器中。研究团队首次在实验上观测到极紫外波段的辐射信号，典型的辐射波长27纳米，单脉冲辐射能量最高可达150纳焦，并通过轨道偏移以及自发辐射定标等方法证明了最后一段波荡器中能量增益高达100倍。
这是国际上首次实现基于激光电子加速器的极紫外波段的自发辐射放大输出，对于小型化、低成本的X射线自由电子激光器的研制具有重大意义。
未来，研究团队将进一步提升自由电子激光的输出功率和光子能量，并作为上海超强超短激光实验装置（“羲和”激光装置）中超快化学与大分子动力学研究平台的重要组成部分，提供开放共享。
责任编辑：高文
校对：栾梦
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