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柔性微电子实现集成传感器和软致动器，促成微型机器人环境自适应

柔性微电子学集成传感器和导电聚合物致动器促成微型机器人环境自适应

【导读】：

下一代生物医学工具需要可重塑的电子设备才能与生物组织紧密结合。这将提供独特的机械性能，并具有符合不规则几何形状的能力，同时又坚固又轻巧。可以使用能够根据需要重塑的软质材料和薄膜结构来实现此类设备。但是，在亚毫米范围内重塑仍然是一项艰巨的任务。在此，演示了形状控制的微型设备，该设备集成了电子传感器和电活性聚合物致动器。快速且生物相容的执行器能够主动将设备重塑为平坦或弯曲的几何形状。设备的曲率和位置通过应变或磁传感器进行监控。传感器信号在闭环反馈回路中用于控制执行器。

柔性自适应微电子技术被认为是新的，更有效的生物医学应用的创新驱动力。例如，受损神经束的治疗，慢性疼痛或假肢的控制等。为此，电子和神经组织之间的紧密接触对于有效的电气和机械耦合至关重要。另外，潜在的应用是由微小且柔性的手术工具的生产引起的。

一个由德累斯顿莱布尼兹固态与材料研究所（IFW）的纳米技术研究所所长奥利弗·G·施密特（Oliver G. Schmidt）教授(并且是开姆尼茨理工大学纳米电子材料教授)领导的国际研究团队，以及纳米膜材料，体系结构和集成中心（MAIN）的发起人，以及施密特教授团队的博士生鲍里斯·里夫金（Boris Rivkin）现在首次证明了这种自适应微电子技术能够将自己置于受控的环境中。通过分析传感器信号来操纵生物组织并响应其环境。

结果由Rivkin作第一作者，发表在《Advanced Intelligent Systems》杂志上（"由集成传感器和导电聚合物促动器促成的形状控制的柔性微电子学"）。自适应微电子学中首次组合的动态过程的不同特性。

得益于微型传感器和人造肌肉，未来的微电子技术将能够采用复杂的形状，并与敏感的生物组织形成生物神经界面，而不会造成损害。

开姆尼茨工业大学和德累斯顿的莱布尼兹IFW团队在其出版物中展示了自适应和智能微电子学，这些微电子学通过适当的传感器反馈，利用微观的人造肌肉来重塑和适应动态环境。

传感器信号通过电连接馈送到微控制器，在微控制器中进行评估并用于生成人造肌肉的控制信号。这使这些微型工具能够适应复杂且不可预测的解剖形状。

例如，神经束总是具有不同的大小。自适应微电子可以轻轻地包裹这些神经束，以建立合适的生物神经界面。

为此，必不可少的是将形状或位置传感器与微执行器结合在一起。因此，自适应微电子器件以所谓的"单片晶圆级工艺"制造。"晶片"是由硅或玻璃制成的平坦基板，在其上制造电路。整体生产允许在一个基板上同时并行制造许多组件。这样可以快速进行生产，同时具有更高的成本效益。人造肌肉产生运动-可能在有机环境中使用

自适应微电子的运动和重塑是通过人造肌肉（即所谓的"执行器"）来实现的。这些通过喷射或吸收离子而产生运动，因此可以使聚合物膜重塑形状。

该方法基于聚合物聚吡咯（PPy）的使用。该方法的优点在于，可以有针对性地并且已经非常低的电偏压（小于一伏）进行形状的操纵。过去，其他组织也已经证明了人造肌肉在有机环境中也可以安全使用的事实。这涉及在与医学应用相关的各种环境（包括脑脊液，血液，血浆和尿液）中测试微机的性能。

由开姆尼茨和德累斯顿的研究小组开发的聚合物薄膜只有0.5毫米宽和0.35毫米长。它充当微电子元件的载体，并配有人造肌肉和传感器。这使它能够感知周围的环境，识别物体并适应不同的形状。

可变形的微电子器件

在过去的几十年中，柔性电子产品引起了极大的关注，彻底改变了电信，多媒体和医疗保健等领域。主要的电子组件，例如互连，天线，二极管和晶体管，已在薄聚合物箔上制造，以在开发人员的工具包中产生新的选择。将薄的聚合物箔片用作基材，有助于生产重量轻，形状顺应性，坚固性和可靠性高且复杂性不断提高的电子系统。这些电子设备的超薄设计促进了包括人造皮肤，传感器阵列，在内的生物电子学的发展。电子植入物，例如脑探针和神经袖套等。自然地符合复杂的3D形状的解剖结构的能力是电子设备与软生物组织相互作用的重要特征。而且，虽然大面积柔性电子设备的形状可以轻松地手动调整以适应最终应用的几何要求，但在瞄准较小尺寸（例如必须封装亚毫米神经纤维束）时，处理变得越来越具有挑战性用同样小的袖套植入物轻轻地。

可变形的微电子器件可根据需要改变其形状，提供了另一种策略来完成这一具有挑战性的任务。例如，最近已证明，带有集成电路的软微尺度结构在暴露于高温或湿气中时会包裹在周围的神经周围。但是，这些装置缺乏重塑反复和在所述操作环境的需求的能力。此类功能需要将生物相容性灵活的形状和位置传感器与坚固的微致动器集成在一起，而理想的情况是通过单晶片规模的工艺来制造。

由气动驱动的各种小型的致动器和液压的压力，电和磁场，刺激响应性聚合物是用于创建各种形状-的吸引力不断变化的薄膜系统。它们的形状或体积变化通常依赖于外部刺激，例如热，光， pH或湿度，这在操作环境中几乎是无法控制的。与这些材料相比，离子电活性聚合物（IEAP）致动器依赖于电势，该电势通过离子的释放或位移触发形状变化。一个突出IEAP致动器的技术，即，离子聚合物-金属复合材料（IPMC）致动器，已被认为用于生物医学应用，但众所周知的难以制造通过微尺度的过程，并且需要相对高的和潜在有害的静电偏置电压（ 3–5 V）。相比之下，基于导电聚合物聚吡咯（PPy）的致动器在以相对较小的偏置电压（<1 V）电氧化或还原时会收缩或膨胀，通常被认为对于生物医学和体内应用是安全的。

聚吡咯的致动器的性能进行了在各种生理相关的环境，如脑液的研究，细胞培养基，和体液如血液，血浆和尿液，，这表明该该技术的生物相容性。PPy的激活是由水合离子（例如Na）的吸收或排斥引起的+来自周围的电解质，这些电解质在生物学上相关的环境中含量很高。PPy与基于高分辨率光刻和图案化技术的常规晶圆级制造工艺兼容，并且已在许多长度范围内进行了广泛的探索，范围从厘米级的人造肌肉到各种微尺度的设备，例如微瓶，致动器阵列能够抓住纤维的，或基于多个独立的致动器，并且有能力提升和移动的玻璃珠的增强元件的组合的微操纵器。

PPy致动器的相对较容易的制造通常需要贵金属电极（通常为Au或Pt）和可选的结构支撑层，例如聚二甲基硅氧烷（PDMS）。所谓的"干式"执行器也可以通过聚合物电解质或夹层结构实现，该结构具有聚偏二氟乙烯（PVDF）膜和两侧的电极。

迄今为止，只有大型厘米级的执行器已被证明具有反馈驱动的定位。但是，这些制造方法不允许与其他微电子元件进行单片集成，因此不能为微机器人提供合适的策略。

到目前为止，微电子结构不可能同时感知和适应其环境。尽管有些结构具有应变传感器来监视自身的形状，微电子器件具有在空间中定向的磁性传感器，或者其运动可以通过电活性聚合物结构控制的设备，但这些特性的组合可用于在环境中动态变化的生物体中。迄今为止，尚未报道过微米级的刻度，即远低于一毫米。

这些应用的核心是宽度仅为0.5毫米，长度为0.35毫米的聚合物薄膜，该薄膜可作为微电子元件的载体。相比之下，一美分的硬币的直径约为16毫米。

可重塑的微电子设备（RMED）

可重塑的微电子设备（RMED），可用于未来的生物医学应用，包括温和的手术钳和力可调的神经袖套等。这些设备具有集成的微模式执行器和传感器，可通过比例积分微分（PID）控制器进行主动整形（图 A））。超薄聚酰亚胺（PI）载体平台的重塑是通过集成的基于PPy的执行器实现的，这些执行器对低压电信号做出响应。根据集成传感器生成的电信号计算执行器所需的偏置电压。反馈控制可补偿变化的工作条件并改善定位。这能够与环境进行主动交互，例如控制生物组织的抓取和释放。

下图演示了两种用于测量RMED的曲率及其位置的互补解决方案（图 B）。即，集成了金条应变计（GSSGs）可以直接测量设备的曲率。此外，自旋阀磁传感器（SVMS）可以通过探测静态磁场或低频磁场作为可完全穿透非磁性材料和生物组织的无害参考，来评估RMED的方向。以单片晶圆规模的工艺制造了许多RMED，探索了可成形的聚合物技术。

图：可重塑微电子设备的概念。

A）艺术插图。聚合物薄膜很薄，带有评估设备形状的传感器（S1）。外部控制器处理传感器数据（S2），并向一对PPy执行器施加偏置电压以重塑设备形状（S3）。B）监视设备形状的两种不同方法。顶部：应变仪直接测量曲率。底部：磁传感器通过探测参考磁场来评估挠度。

可重塑微电子器件的理论优化和制造

1、估计RMED的最佳厚度

RMED需要自由的载体表面来集成传感器和除执行器外的互连。然而，在以往的报告中，其中微致动IEAP已经涂覆到柔性载体， IEAP聚合物及其电连接通常占据支撑膜的全部或大部分可用区域。在这项工作中，我们通过沿着薄膜PI支架边缘放置两个执行器条带，实现了RMED的广泛曲率控制，仅占总可用面积的20％。剩下的80％的面积用于其他电子功能。为了仅通过少量的致动器覆盖范围即可获得较高的致动性能，至关重要的是确定PI支撑，Au电极和PPy层的最佳厚度。

执行机构的应变取决于氧化还原引起的水合离子（例如钠）的流入或排斥。RMED的最终曲率κ与弯曲半径R = κ -1（图 A）相关。最大曲率的任何载体/电极/聚吡咯堆栈可以实现的是，致动器的应变的产物α和器件的曲率系数c ^ κ，因此κ = α⋅Ç κ。后者取决于各个层的刚度及其相对和绝对厚度。

图：可重塑微电子器件的理论优化和制造。

A）PI / Au / PPy叠层在还原状态下是平坦的，并在氧化时逐渐卷曲。卷曲形状与曲率描述κ，这是曲率半径R. B）的逆已计算的曲率系数c ^ κ用于与不同的PPy和PI层厚度RMEDs。该线表示每种PI厚度的最佳PPy厚度；点表示该研究中使用的优化设备。C）RMED的制造程序。

2、RMED的单片晶圆规模制造

器件制造示于图 C中，其中制备具有矩形金属-有机牺牲层（SL）和矩形PI载体（350×500微米的开始2通过旋涂和光刻的装置）。PI平台从一侧固定在玻璃基板上，其厚度由旋涂速度控制。带有SVMS的RMED是通过溅射沉积和椭圆多层堆叠的剥离图案制造的。通过标准剥离工艺和电子束蒸发，制造了一组用作PPy致动器触点，传感器触点和GSSG的Au电极。器件通过图案化的Al 2 O 3层进行化学和电绝缘。接触垫和指定的执行器区域均不含Al 2 O 3。通过原子层沉积（ALD）工艺沉积该绝缘层并进行化学蚀刻。

图：在50×50 mm 2的玻璃基板上制造的真实RMED和执行器特性。所有比例尺的尺寸为200μm

A）具有22个RMED的50×50 mm 2玻璃基板。B）在从基板上释放之前，带有执行器和SVMS的RMED的显微照片。C）以各种曲率状态释放之后，用应变仪进行RMED。D）逐步激活RMED的电压和电流曲线。E）具有各种偏置电压（以伏特表示）的RMED的侧视图叠层允许测量高达（90μm）-1的器件曲率。F）取决于施加的偏置电压（vs Ag / AgCl）的侧视图显微照片得出的RMED曲率图。

使用集成磁传感器监控和控制RMED位置

磁场广泛应用于位置和方向感测。在生物医学领域，静磁场和低频磁场已成功用于诸如5–50μT的超低磁场的导管位置跟踪和转向等任务。与高频磁场相比，低频磁场（对于<1.6 Hz的频率，≈12mT）不与生物组织相互作用，因此不会受到电磁屏蔽的影响，从电磁的角度来看，其危害性较小。安全。

在这项研究中，RMED的形状由集成磁性传感器监控，该传感器探测外部参考场，如图 A所示。椭圆形传感器堆叠（85×55微米2）被定位成对，一个锚定到所述衬底（传感器1）和第二在自由站立聚合物载体（传感器2）的尖端。这些传感器的工作方式如下："自由层"的磁化与外部磁场的磁化对齐，而"参考层"（图A）的磁化方向在器件制造过程中被永久性磁化时在磁场中退火。整个叠层的电阻取决于参考层和自由层的磁化方向的相对方向。当磁化方向平行时，电阻最低，而当磁化方向反平行时，电阻最高。致动后，传感器2相对于传感器1偏转角度θ（图 A），其中θ = 0°对应于平面，而θ = 180°对应于U形状态。后一种情况与抓取物体或夹具有关。当θ > 0时，外部磁场会导致传感器1和2的自由层磁化方向不同，这些方向沿传感器平面上的场投影对齐。角度φ传感器的自由和参考层之间的电性测量，以确定相对于外部磁场的取向装置取向。

图：带磁传感器的可重塑微电子设备的工作原理和特性。

A）传感器偏转角的定义θ和参考层和自由层取向之间的角度φ从平坦到U形状态时偏转。B）参考磁场的第一种可能配置：在XZ平面中旋转。C）由同一RMED承载的两个传感器的归一化信号。信号在平面（I）中同相，在卷曲（II）状态中异相。D）参考磁场的第二种可能配置：沿X轴（B X），Z轴（B Z）的静态磁场），或在XZ平面上倾斜45°（B XZ）。E）在致动时所投影的场的关键参数的计算估计：（I）传感器角φ，（II）所投影的相对场强，以及（III）所得到的GMR传感器信号。计算考虑了磁场B = B X，B = B Z和B = B XZ的不同方向。

图：具有应变或磁传感器的可重塑微电子设备在闭合反馈回路中的运行。

A）定制开发的用于实验控制和设备接口的电子设备。B）典型的反馈驱动定位实验的设定点，反馈和输出曲线。位置反馈由集成的磁传感器提供。比例增益常数设置为K P =200。C）应变传感器信号直接反映RMED的曲率。从图E的侧视图显微照片估计曲率。D）设定值更改时，比例反馈控制器使用各种比例增益参数K P对RMED进行整形。

使用集成式应变片传感器监测和控制RMED形状

基于外部磁场的形状评估可以应用于绝对空间中的定位。但是，对于抓取或操纵软组织，直接评估RMED的实际曲率至关重要。在这项工作中，通过从集成的GSSG采集信号直接测量RMED的曲率。GSSG由金曲折形成，金曲折的宽度为15μm，总长度为1.2 mm。选择该特定应变传感器是因为它为设备曲率提供了一个简单而可靠的反馈源。基于金的应变仪自然地集成到RMED的薄膜结构中，并且与PPy执行器的电极一起在一个步骤中同时制造。卷曲后，带有执行器和传感器的PI平台表面会经受压缩应变，反过来，压缩应变仪电极并降低其欧姆电阻。

我研究了RMED在机械有效载荷下的行为，以通过在驱动路径中放置硬物和软物来模拟应用案例，从而限制了重塑过程（图 A）。GSSG传感器的响应如图B所示。针对不同的情况。自由启动期间，传感器信号单调减小，同时偏置电压增加，RMED卷曲。然后，我们使用微量滴定管作为坚硬的障碍物，它完全抑制了RMED接触后的卷曲。应变传感器信号最初遵循参考曲线，但在触摸障碍物后保持恒定。与硬障碍相反，软障碍（例如用于本研究的小鼠坐骨神经纤维）的硬度非常低。在克服此软障碍物致动期间，应变传感器显示出曲率在接触后进一步增加，尽管与未加载的参考曲线相比范围较小。在这种情况下，RMED能够将凝胶状组织压缩到一定程度。

对于将RMEDs用作神经外科手术的工具而言，这一见解至关重要，因为应谨慎接近神经纤维以避免组织损伤。反馈控制的微型操纵器为消除无法承受高压的软组织提供了消除人为错误的可能性。在操作过程中，此类操纵器应首先检测物体，然后施加预定义的力。

图：具有各种约束的RMED的反馈控制重塑。

所有RMED的宽度均为500μm。A）实验示意图描绘了自由（左）且受障碍物约束（右）的致动。B）显示在致动期间自由，受可压缩的软物体或硬物体约束的应变仪信号的图表。当信号偏离参考曲线（自由驱动）时，将检测到与障碍物的接触。C）对硬物的反馈控制致动。关闭（浅绿色）或打开（深绿色）时，保持执行器偏置的自动障碍物检测。D）相应的显微照片显示针对移液器（硬障碍物）的致动。E）抓住软物体。关闭对象检测（浅蓝色）时，神经以最大的力受压；打开对象时（深蓝色），神经被轻柔地握住。F）相应的抓神经纤维显微照片。

在潜在的应用场景中，柔软的机器人神经钳应在神经外科手术中机械地检测组织以便进行轻柔的操作，并以尽可能小的力将其固定在适当的位置，从而防止外科手术伤害。

将来会使用更复杂的微电子机器人

德累斯顿和开姆尼茨大学的研究小组预计，从中期来看，自适应和智能微电子技术将发展为复杂的机器人微系统。鲍里斯·里夫金（Boris Rivkin）表示："关键的下一步是从以前的平面架构过渡到三维微型机器人。先前的工作表明，扁平的聚合物薄膜如何通过自组织折叠或滚动而重塑为三维结构。我们将向这类材料中添加自适应电子器件，以开发诸如机器人微型导管，微型机器人手臂和可延展的神经植入物等系统，这些系统将根据数字指令进行半自主动作。"

奥利弗·施密特（Oliver Schmidt）教授团队的组长Daniil Karnaushenko博士补充说："这种复杂的微型机器人将需要大量单独的致动器和传感器。要以如此高的密度有效容纳和使用电子组件是一个挑战，因为需要更多的电连接。这将通过复杂的电子电路解决，将来将集成到自适应微电子中，以将适当的指令传递给正确的组件。"

这项工作还为新兴的机器人辅助手术领域做出了贡献，它可以实现侵入性更小但操作更精确的手术。能够生成有关其形状和位置的可靠反馈的智能手术工具可能在治疗脆弱组织中必不可少。

结论：

未来的微型机器人系统将需要高度复杂的形状控制，这只能通过大量独立的微型致动器来实现。例如，这种机器人系统可以是微导管，该微导管由致动的铰链和传感器的阵列组成，其中末端执行器的位置可以通过成对评估每个关节的偏转角来控制，直到已知的参考位置。实施分布式微致动器系统的关键挑战是必须为每个独立的致动器和传感器建立电气互连，这一要求限制了每个表面积的独立功能组件的数量。这将通过集成有源电子器件（例如晶体管矩阵和移位寄存器）来解决。这些数字电路极大地减少了所需的电触点数量，并促进了电子组件的高密度化。

提出的制造策略能够将导电聚合物致动器和复杂的微电子器件集成在一起到柔性基板上。但是，这些过程仅基于2D制造方案，并且只能生成2D结构。但是，复杂的3D微机器人系统将需要柔性和机械稳定的组件。虽然纯2D胶片无法为执行器提供高度稳定的锚定点，但可以通过微缩自组装策略（例如滚动，折叠或屈曲）来创建坚固的3D结构。这些将允许使用集成的执行器和先进的电子设备将2D结构重塑为复杂的3D微机器人系统。