随着可穿戴计算设备的发展以及远程医疗监控和环境感知领域应用的需求增加，将传感和计算功能集成到单一硬件系统中变得尤为重要。传统硬件在机械拉伸性和人体适应性方面存在挑战，尤其是在与人体皮肤接触时，刚性硬件容易产生运动伪影，导致数据质量下降。有机电化学晶体管（OECTs）因其能够低电压工作、高灵敏度、良好的生物兼容性和稳定性，被认为在传感、计算以及“传感器内计算”（in-sensor computing）中具有巨大潜力。然而，现有的OECTs在拉伸性和适应人体的柔韧性方面有所欠缺，同时在制造高密度小尺寸设备以及开发用于实际应用的小型化读出系统方面面临困难。为解决这些问题，论文提出了一种基于可拉伸OECT阵列的可穿戴传感计算平台，旨在开发一种能够与人体良好适应的设备，实现高效的边缘计算，并具备实际应用中的可扩展性和可靠性。
香港大学的Shiming Zhang和Zhongrui Wang课题组开发了一种基于可拉伸有机电化学晶体管（OECTs）的可穿戴传感内计算平台，具有超过50%的拉伸性。该设备通过采用粘附性超分子缓冲层提高了在应变下的设备稳定性，并使用高分辨率六通道喷墨打印系统实现了微米级别的晶体管阵列制造，并用该阵列实现了储备池计算神经网络，能够进行数据处理。此外，研究还设计了一个硬币大小的读出系统，实现了可穿戴边缘计算，展示了该平台在实际应用中，如手势识别和生物信号处理中的优异性能和低功耗特性。
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图1：展示了基于可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列的硬币大小的可穿戴传感计算平台（WISE）的设计策略。该平台包括一个ISOECT阵列、基于ISOECT的储备池计算（RC）网络以及用于数据采集和分析的迷你化读出单元。该图说明了整个系统的组成，从传感器到数据处理单元，展示了它的可穿戴性、集成性和边缘计算能力。主要结论是，该平台通过ISOECT阵列实现了低功耗、可拉伸的传感与计算功能，适用于实时生物信号的采集与处理。
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图2：展示了可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）的材料策略和结构设计。该图通过图示详细展示了ISOECT的结构，包括由弹性体基底、半导电聚合物通道（PEDOT:PSS）、固态电解质和金（Au）源/漏/栅电极组成的平面结构。同时，图中还展示了用于增强设备拉伸性和界面稳定性的粘附性超分子缓冲层（TAP）的化学结构及其作用效果。图2的实验数据表明，这种设计在50%的拉伸应变下保持了良好的设备性能，表明通过材料和结构优化，实现了在应变条件下的稳定性和高性能。
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图3：展示了可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列的可扩展制造过程。图中描述了利用多通道喷墨打印系统制造ISOECT阵列的工艺流程，从底层的缓冲层打印，到源/漏/栅电极、通道和电解质层的逐层打印，展示了制造高密度设备阵列的步骤。实验结果显示，所制造的阵列在1.44平方厘米区域内包含了100个功能齐全的晶体管单元，且在50%拉伸条件下保持了高性能与一致性，验证了这种制造方法的高可靠性和设备性能的稳定性。![]()
图4：展示了基于可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列的类神经形态计算应用。该图首先展示了ISOECT作为储备池计算（RC）网络的一部分，用于处理输入脉冲信号，模拟类似于神经元的非线性行为。图中显示，ISOECT能够根据不同的输入脉冲组合生成不同的输出电流（Ids），从而实现多种数字信号的区分和处理。实验进一步通过手写数字识别任务验证了ISOECT的计算能力，结果表明该阵列在不同应变条件下（如0%和50%应变）都能保持90%的预测准确率。这表明，ISOECT不仅能够在拉伸环境中保持稳定性能，还能够在神经形态计算中提供高效、低功耗的解决方案。
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图5：展示了基于可拉伸有机电化学晶体管（ISOECT）阵列的可穿戴传感计算平台（WISE）在肌电图（EMG）信号检测和手势识别中的应用。该图详细描述了整个系统的工作流程，包括：ISOECT传感器用于EMG信号的检测、信号的预处理和编码、ISOECT阵列对信号进行储备池计算、以及最终的手势分类输出。图中展示了该平台在0%和50%应变下的手势分类准确率，结果显示即使在50%应变下，系统仍然能够保持高达90%的分类准确率，且能量消耗极低。结论表明，WISE平台不仅具有良好的拉伸性，还具备高效的边缘计算能力，能够用于实际可穿戴生物信号处理应用。
作者展示了基于有机电化学晶体管的可穿戴传感计算平台，解决了传统硬件与人体的机械不匹配问题。通过创新材料和高分辨率喷墨打印技术，该平台实现了超过50%的拉伸性，并集成了边缘计算功能，适用于生物信号采集和神经形态计算。其在远程健康监控和智能可穿戴设备领域具有广泛的应用前景，尽管仍需在频率响应和功耗优化上进行改进。
【参考文献】
https://www.nature.com/articles/s41928-024-01250-9#article-info
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