【学研】柔性生物电子新成果;
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来源:集微网
徐亚东团队提出SIRES平台,实现柔性生物电子耐应变信号转导;姚期智等专家签署《IDAIS伦敦宣言》防范AI攻击;南京大学团队突破氮化镓隔离栅极驱动关键技术,芯片性能国际领先。

1.北京大学深圳研究生院新材料学院徐亚东在《科学》发表柔性生物电子新成果;

2.姚期智、约书亚·本吉奥、张亚勤、斯图尔特·罗素等人工智能领域专家联合签署《IDAIS伦敦宣言》;

3.南京大学施毅/邱浩团队集成电路顶刊JSSC:突破氮化镓隔离栅极驱动关键技术;



1.北京大学深圳研究生院新材料学院徐亚东在《科学》发表柔性生物电子新成果;

近日,北京大学深圳研究生院新材料学院助理教授徐亚东与美国加州理工学院高伟教授团队在柔性生物电子与电化学传感方向取得重要进展。相关研究成果以“Strain-resilient intrinsically stretchable electrochemical biointerfaces”为题,在线发表于国际顶级学术期刊《科学》(Science)。徐亚东为论文第一作者,高伟为通讯作者。

论文截图

该研究首次提出了一种通用型耐应变本征可拉伸电化学生物界面,即SIRES。该平台通过材料组成、界面结构和电化学传输过程的协同设计,在高达300%拉伸应变下保持高保真电化学输出,并兼容伏安型、电位型和安培型等多种检测模式。研究进一步展示了SIRES在可穿戴汗液监测和植入式动态组织分子检测中的应用潜力,为柔性生物电子器件在真实生理环境中的稳定运行提供了新的设计范式。

柔性生物电子器件可与皮肤、心脏、胃肠道和伤口等软组织形成紧密界面,在连续健康监测、疾病预警和精准医疗中具有重要应用前景。近年来,柔性电子技术已在心电、肌电、体温和脉搏等物理信号监测方面取得快速发展。然而,面向分子标志物的连续电化学检测仍面临关键挑战。

真实人体组织处于持续动态形变环境中。皮肤牵拉、心脏搏动、胃肠扩张蠕动以及伤口组织重塑等过程,均会改变电极界面形貌、导电网络、离子传输和功能涂层稳定性。传统柔性电化学器件多依赖金属薄膜、刚性导电层或异质堆叠结构,在形变过程中容易出现裂纹、脱层和信号漂移。因此,面向真实应用的柔性电化学器件不仅需要具备机械可拉伸性,更需要在动态变形中保持稳定、准确的分子信号转导能力。

针对上述问题,研究团队提出SIRES平台,构建了由耐应变导体层、电学可调界面层和可拉伸功能涂层组成的全弹性体3层结构。其中,耐应变导体层用于维持稳定电子传输,电学可调界面层用于调控应变下的电机械耦合和界面电化学行为,可拉伸功能涂层用于承载酶、电化学介体、离子敏感材料等传感组分。不同于传统在柔性基底上集成刚性电极的设计,SIRES将导电、界面调控和功能传感层统一整合于弹性体体系中,实现了本征可拉伸和界面抗脱层。该结构使电化学界面能够在大幅机械变形下维持稳定的结构完整性和信号输出。

SIRES系统概览与工作原理

研究团队进一步揭示了SIRES的耐应变电化学机制。机械拉伸会同时引起电化学活性面积增加和导电网络电阻升高:前者有助于增强反应电流并降低电荷转移阻抗,后者则可能导致峰位偏移和信号衰减。SIRES通过调控材料组成和界面电阻,使这两类应变诱导效应在电路层面形成补偿,从而维持近似恒定的总电阻和稳定的电化学响应。

为验证SIRES的通用性,研究团队构建了覆盖伏安型、安培型和电位型3类模式的可拉伸电化学传感器。平台可实现尿酸的伏安检测、葡萄糖的安培检测以及pH的电位检测,并进一步集成本征可拉伸参比电极和对电极,为完整可拉伸电化学系统的构建提供基础。结果表明,SIRES并非针对单一分子或单一检测方式的结构优化,而是一种具有普适性的耐应变电化学生物界面,可适配不同电化学反应机制和传感化学体系。

SIRES多模态可拉伸电化学传感

在可穿戴应用中,研究团队将SIRES集成于可拉伸、透气汗带中,构建了用于汗液多模态分析的无线柔性生物电子系统。该系统可实时监测汗液中的葡萄糖、乳酸和pH,并在骑行、跑步、划船机和椭圆机等运动场景中保持稳定输出,展示了其在运动健康管理和个性化代谢监测中的潜力。

SIRES可穿戴汗液监测系统

在植入式应用中,研究团队进一步展示了SIRES在胃、伤口、肠道和膀胱等动态组织环境中的分子检测能力。该平台可用于胃部膳食反应监测、胃漏检测、糖尿病伤口炎症分析、炎症性肠病相关乳酸检测以及膀胱肿瘤相关过氧化氢检测。同时,体内植入实验显示SIRES具有良好的生物相容性,为长期植入式监测应用奠定了基础。

SIRES植入式动态组织分子监测

该研究将柔性电化学生物电子的设计目标从“可拉伸”进一步推进到“耐应变信号转导”。SIRES通过材料、界面和电化学传输过程的协同设计,实现了动态形变条件下稳定、准确的分子检测,为柔性生物电子在真实生理环境中的长期运行提供了新的设计范式。

该工作揭示了应变下电化学信号稳定的新机制,即通过平衡活性面积变化、界面阻抗演化和导电网络电阻变化,实现高保真电化学输出。该机制为动态组织界面上的电化学传感行为提供了新的理解和调控思路。

从应用前景看,SIRES兼容多种电化学检测模式,并已在可穿戴汗液监测和植入式组织分子检测中得到验证。未来,该平台有望拓展至运动健康管理、慢病连续监测、术后并发症预警、伤口感染评估、胃肠道疾病监测、肿瘤微环境分析及闭环精准医疗等场景,为柔性生物电子器件从实验室原型走向真实医疗应用提供重要技术基础。



2.姚期智、约书亚·本吉奥、张亚勤、斯图尔特·罗素等人工智能领域专家联合签署《IDAIS伦敦宣言》;

近日,图灵奖得主、清华大学人工智能学院院长姚期智联合图灵奖得主约书亚·本吉奥(Yoshua Bengio)、清华大学智能产业研究院院长张亚勤、加州大学伯克利分校教授斯图尔特·罗素(Stuart Russell)等多位全球顶尖人工智能科学家齐聚英国,联合签署《IDAIS伦敦宣言》,共同探讨如何防范人工智能驱动的攻击行为对社会造成大范围危害。本次活动是人工智能安全国际对话(IDAIS)系列的第五场会议,由安全人工智能论坛(Safe AI Forum)与牛津大学马丁人工智能治理研究院联合主办。

第一排前四为人工智能安全国际对话(IDAIS)发起人,从左至右依次为斯图尔特·罗素、姚期智、约书亚·本吉奥、张亚勤

为期三天的会议中,与会科学家与治理领域专家共同拟定并签署了一份共识声明。声明呼吁各国正视人工智能网络攻击、生物滥用技术不断扩散所带来的共同威胁,并携手开展协同防范工作。

声明警示,按照当前发展趋势,技术能力有限的非国家行为体,有望在一年内掌握部分国家级网络攻击手段,将对关键基础设施与国家安全造成前所未有的风险。目前全球社会尚未做好应对这一紧迫威胁的准备,而生物领域的滥用风险也接踵而至。

声明还针对两大风险领域明确了工作重点:守护关键基础设施、强化前沿人工智能模型的安全防护、建立完善的风险评估体系。声明同时提醒,网络领域当下出现的乱象,也为生物安全风险和未来更多挑战敲响了警钟,其中就包括逐步走向自主化的人工智能系统可能出现失控的问题。

会议现场

“声明”签署者列表

人工智能安全国际对话(IDAIS)汇聚全球顶尖科学家,旨在携手共同应对人工智能带来的各类风险。2023年10月举办的首场对话由姚期智、约书亚·本吉奥、张亚勤、斯图尔特·罗素共同发起。截至目前,人工智能安全国际对话(IDAIS)已经举行五场,分别为2023年IDAIS-牛津、2024年IDAIS-北京、2024年IDAIS-威尼斯、2025年IDAIS-上海、2026年IDAIS-伦敦。

安全人工智能论坛(Safe AI Forum)代表团与人工智能学院专家开展研讨

今年3月,人工智能安全国际对话(IDAIS)主办方安全人工智能论坛(Safe AI Forum)首席执行官芬恩・海德(Fynn Heide)率代表团访问清华大学人工智能学院,与姚期智及学院相关领域专家围绕AI安全重要议题展开学术交流与研讨。

AI安全是人工智能学院重点布局的核心学科方向之一。清华大学人工智能学院长期聚焦该领域前沿研究与人才培养,持续推进相关理论探索、技术攻关与国际合作。



3.南京大学施毅/邱浩团队集成电路顶刊JSSC:突破氮化镓隔离栅极驱动关键技术;

近日,南京大学电子科学与工程学院邱浩副教授/施毅教授团队在功率器件驱动领域的研究取得重要进展,相关成果于12月2日以“A Galvanic Isolator Achieving 117-Mb/s Forward Data Transfer in the Presence of 181-kV/μs Common Mode Transient Interference”为题在线发表于集成电路顶刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)。

氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)是用于开关和功率应用的重要器件,相比于硅晶体管具有更高的击穿、更快的开关速度和更低的导通电阻。但不容忽视的是,GaN 器件的高压特性与超高开关频率,堪称一把技术双刃剑:一方面,它是突破传统电源功率密度上限的关键推手;另一方面,其纳秒级的开关时间与高开关电压,使得 GaN 开关瞬态的 dV/dt 值远超传统开关器件,极易诱发剧烈的共模瞬态(Common mode transient, CMT)干扰。这种破坏性干扰会严重威胁驱动与控制电路的稳定运行,成为制约 GaN 器件相关技术规模化应用的关键挑战。

用于隔离式栅极驱动的数字隔离器因其能够有效抑制CMT干扰,成为GaN功率管隔离栅极驱动的重要研究方向。然而,在传统设计中存在两大问题:一、采用传统频移键控(FSK)解调器会引起数据符号持续时间不等,从而进一步导致功率器件直通电流或较大的反向导通损耗;二、传统测量中仅给出静态CMTI指标,即在测量的过程中假定传输速率为零,而面向真实场景的动态CMTI指标较为匮乏。

图1. GaN隔离栅极驱动器示意图

针对上述问题,研究团队提出了自适应跨导增强技术,能够实现针对正/负CMT事件的快速检测,进一步能够有效增强振荡器的跨导,提高了系统的抗CMT干扰能力;为了解决传统FSK解调器引入的码元时间不等问题,提出了一种补偿型FSK解调器,简单地在传统FSK解调器增加补偿路径,且不引起任何额外延迟,保证了通信数据解调后码元时间相等。

图2. 数字隔离器架构示意图

该芯片采用0.18 μm BCD工艺进行了流片验证,实测结果表明,该隔离系统具有高达299 kV/μs的静态CMTI;在181 kV/μs的严重干扰下,仍支持117 Mb/s的高通信速率,误码率低至10-8,支持ns级最小脉冲宽度,相关核心指标与学术界/工业界同类产品相比,均为国际最高水平,可用于机器人、激光器、数据中心供电等领域。

图3. 芯片照片

图4. (a) 动态CMTI实测结果; (b) 性能对比