John A. Rogers教授
John A. Rogers教授是國際著名材料學家、物理學家及化學家，現為美國國家科學院、美國國家工程院、美國藝術與科學學院三院院士。
人物履歷：Rogers教授於1995年在麻省理工學院(MIT)獲得了物理化學博士學位，之後曾在Bell實驗室擔任凝聚態物理研究組組長。從2003年開始，Rogers教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任化學工程系教授至今。並從今年9月份開始，擔任西北大學生物集成電子中心的教授兼主任。同時Rogers教授也是美國國家工程院院士（NAE; 2011），美國藝術與科學學院院士（AAAS; 2014），電氣和電子工程師協會研究員（IEEE; 2009），美國物理學會會員（APS; 2006），材料研究學會會員（MRS; 2007），美國科學促進協會會員（AAAS; 2008）和美國國家發明家學會會員（NAI; 2013）。
科學研究：John A. Rogers教授的主要研究方向為非常規電子器件材料及製造。他帶領的團隊與美國史丹福大學鮑哲南教授團隊、日本東京大學Takao Someya教授團隊被公認為世界上最領先的三個柔性電子團隊。近十年來，Rogers團隊在仿生電子器件的設計與製造、可穿戴生物醫學電子器件等領域始終走在最前端，取得眾多研究成果，成為業界領軍人物。截至目前，Rogers團隊累計發表SCI論文超過550篇，累計引用次數超過137000次，h因子高達186。其中50多項被大型公司和他共同創辦的創業公司授權或積極使用，其中包括Active Impulse Systems，Semprius， MC10，CoolEdge，XCeleprint和瞬態電子。
近期，我們簡要梳理了Rogers教授團隊2020年部分發表於頂刊的研究成果，主要分為以下幾個方面：
一、可穿戴生物電子系統
二、可植入生物電子系統
【一、可穿戴生物電子系統】
1、Science Translational Medicine: 殘肢假肢界面多模無線傳感系統
內容簡介：假肢與殘肢的匹配程度影響著截肢患者的舒適和健康。由於殘肢的形貌會隨著時間不斷發生變化，原本精確定製的殘肢-假肢界面會隨著時間的推移而變得不再匹配。而通過持續監測殘肢-假肢界面的各種物理狀態（如界面的壓力），實時反饋假肢的匹配程度非常有價值。美國西北大學John A. Rogers團隊報導了一種採用了柔軟的三維設計的毫米級壓力傳感器，並將其集成到一個薄的、無電池的、內置溫度傳感器的無線平臺中，可以直接在皮膚假體界面上以一種無創的、難以察覺的方式運行。傳感器系統安裝在殘肢皮膚表面的單個（多個）特定位置。假肢外部的無線讀取模塊可以為傳感器無線供電，同時接收數據，再傳遞到標準的消費電子設備，如智慧型手機或平板電腦。結合實驗數據和理論分析，該系統成功展示了在連續模式下對殘肢-假肢界面處壓力與溫度數據的捕捉，彰顯其在臨床應用方向上強大的功能與可行性。
殘肢-假肢界面多模無線傳感系統
2、Science Advances:用於個性化出汗率與汗液氯化物分析的皮膚界面微流控系統
內容簡介：先進的無創、實時監測出汗率和汗液電解質損失的能力，可以實現實時的、個性化的液體電解質攝入建議。當前藉助於吸收性貼片的汗液分析技術，需要對汗液進行後期處理與分析，無法勝任動態使用。美國百事可樂生命科學研發中心Lindsay B. Baker、西北大學John A. Rogers、Roozbeh Ghaffari等報導了一種可穿戴的微流控設備和智慧型手機圖像處理平臺，該平臺能夠分析區域內的出汗率和汗液中氯化物濃度。對312名運動員進行系統研究發現，在受控環境下和在不同環境條件下的競技運動中，出汗率與汗液中氯化物濃度之間存在顯著相關性，其結果還可作為智慧型手機軟體應用程式上實現的算法的輸入，用於預測全身出汗率和汗液中氯化物濃度。這種低成本的可穿戴傳感方法可以提高運動科學家、從業者和運動員的生理學見解，從而在現實世界的動態環境中提供水分補充建議。
可穿戴微流控貼片平臺
3、Nature Biomedical Engineering: 可對人類生理運動進行機械-聲傳感的無線設備
內容簡介：人體的自然生理過程會產生大量的機械聲信號，大部分會在皮膚-空氣界面會強烈衰減。而採用高帶寬三軸加速度計的皮膚柔性電子設備可以捕獲大量微弱的生理信息，包括潛在機械-聲信號（如聽診器測量出的）和核心身體運動的精確運動學。美國西北大學John A.Rogers、黃永剛、Zhaoqian Xie和Carle神經科學研究院的Charles R. Davies等人合作，報導了一種可以放在人類胸骨上方凹陷處來連續測量生理活動產生的機械-聲信號的無線電子設備。設備檢測範圍覆蓋了皮膚約10-3 m s-2加速度的微弱振動到整個身體10 m s-2加速度的劇烈運動以及高達800 Hz的頻率振動。研究人員還利用頻域分析與機器學習來獲取人體在日常活動與運動狀態下的實時心率、呼吸率、能源強度和其他生命特徵，並將從睡眠實驗室獲得的實驗結果與標準多導睡眠描畫系統機型了對比。
用於機械-聲信號檢測的無線柔性電子
4、Nature Medicine: 守護嬰兒生命的無線生理檢測設備
內容簡介：當前新生兒和兒科重症監護病房(分別為NICUs和PICUs)的標準臨床護理主要為使用附著在皮膚上的硬連線設備進行持續監測生命體徵。在某些情況下，還會將基於導管的壓力傳感器插入動脈中。這些系統帶來了醫源性皮膚損傷的風險，使臨床護理更加複雜，同時阻礙了父母和孩子之間的接觸。美國西北大學John A.Rogers、Jong Yoon Lee和芝加哥安&羅伯特·盧瑞兒童醫院的Debra E.Weese-Mayer等人合作，報導了一種無線、無創的電子系統，它不僅提供了相當於現有臨床標準的心率、呼吸頻率、溫度和血氧合的測量，還提供了一系列重要的附加功能，諸如跟蹤運動和身體方向，量化皮膚對皮膚護理的生理益處，捕捉心臟活動的聲學特徵，記錄與哭泣的音調和時間特徵相關的聲音生物標記，監測收縮壓的可靠代理等。該系統彰顯了提高新生兒和兒科重症監護質量的巨大潛力。
用於嬰兒生理信號監測的無線柔性電子設備
5、Science Advances: 監測、診斷皮膚病的低成本水合傳感器
內容簡介：當前的皮膚診斷工具不僅昂貴、耗時、需要專業的操作知識，而且通常只能探測皮膚的表層(~15μm深)。美國西北大學John A.Rogers、Shuai Xu、黃永剛等人合作，報導了一種柔軟的、無需電池的、無創且可重複使用的皮膚水合傳感器(skin hydration sensor，SHS)，該傳感器可粘附於大部分人體皮膚表面，且能夠測量深度1毫米處的體積含水量，並將數據無線傳輸到智慧型手機上。
這種傳感器易於製造，具有獨特的供電和封裝策略，且測量精度(±5%體積含水量)和解析度(±0.015℃皮膚表面溫度)很高。對16名健康/正常的人類參與者上的驗證顯示，多個身體部位的平均皮膚含水量約為63%。對特應性皮炎(atopic dermatitis，AD)、銀屑病、蕁麻疹、皮膚乾燥和酒渣鼻患者的初步研究突出了這種水合傳感器的診斷能力(PAD = 0.0034)及其研究局部治療對皮膚病影響的能力。
柔性無線且無需電池的皮膚水合傳感器
6、Science Advances: 用於壓縮治療的無線皮膚傳感器
內容簡介：治療性壓縮服裝(Therapeutic compression garments，TCGs)是治療多種下肢血管疾病的關鍵工具。正確使用TCG，能夠在較長時間內對下肢施加最小且持續的壓力。織物的特性和組織的機械性能的微小變化，導致了對施加壓力的頻繁測量及相應的調整。實際應用中，現有的傳感器大、厚且不夠靈活，且依賴於笨重的硬連線接口採集數據。美國西北大學John A.Rogers、Shuai Xu等人合作，報導了一種靈活的無線監測系統，用於跟蹤皮膚和TCG之間界面的溫度和壓力。研究人員對這些設備的材料和工程方面的進行了詳細研究，並對一系列不同病理的患者進行的臨床試驗，成功建立了技術基礎和測量能力。
用於監測下肢靜脈潰瘍的無線設備
7、Nature Electronics: 用於表皮電子和微流體系統的汗液激活生物兼容電池
內容簡介：得益於材料、力學和設計方面的進展，超薄、輕量化的電子設備的發展迅速。然而大部分設備依賴電力來支持傳感、無線通信和信號調節等功能。且這種能量的大部分來源都是由有害物質構成的電池，阻礙了與皮膚電子設備的融合。美國西北大學的John A. Rogers和R. Ghaffari等人合作，報導了一種生物兼容的、可汗液激活的電池技術，它能夠嵌入柔性的微流控平臺中。該電池可用於包含無線通信和電源管理系統的可拆卸電子模塊中，並能夠在皮膚上連續的記錄生理信號。研究人員通過實際的人體試驗證明，這種汗液激活電池可以在混合微流體/微電子系統中運行，並能夠同時監測心率、汗液的PH值和其中氯化物的濃度。
汗液激活電池的工作原理
8、Science Advances: 可持續監測新冠病毒的臨床級可穿戴設備
內容簡介：2019年有超過220萬例冠狀病毒病例（COVID-19），在美國有近12萬例死亡病例。依靠可穿戴設備來監測新型冠狀病毒肺炎的早期症狀是一個非常誘人的想法，但是大眾化的消費類可穿戴設備技術上並不成熟，不足以用於監測複雜的疾病。美國西北大學的Hyoyoung Jeong、John A. Rogers和Shuai Xu等人合作，報導了一款可置於喉嚨底部凹陷處(監測呼吸健康的理想位置)的柔性無線設備，協同以一款可穿戴的柔性脈搏血氧儀，實現了對患者咳嗽次數、強度、心率等生理特徵的監測，從而能夠發現與新冠肺炎相關的早期症狀，並隨著病情發展對患者進行監控。此外，研究人員還通過機器學習算法對設備進行訓練，使其能夠區分新冠病毒引起的咳嗽和普通咳嗽。該設備將不斷改進並大大加強遠程監測患者狀態的能力。在新冠病毒大流行的情況下，遠程監測功能可以提高醫療服務效率，同時增強醫護人員對病毒的防護能力。
置於喉嚨凹陷處的無線柔性皮膚傳感器
【二、可植入生物電子系統】
1、Science Translational Medicine: 用於嚙齒類與非人靈長類的高清晰、長期記錄神經接口
內容簡介：超薄且靈活的長期、高解析度的神經接口對於精確的大腦映射和高性能的神經假體系統至關重要。要想大腦的大區域內的數千個位置進行取樣，就需要將電力電子設備集成到幾根外部導線上，將多個電極進行多路復用。然而，受限與當前的封裝策略，現有的多路電極陣列植入壽命有限。針對這個問題，美國西北大學John A.Rogers、杜克大學Jonathan Viventi、紐約大學Bijan Pesaran等人合作，開發了一種稱為神經矩陣的靈活多路電極陣列。該神經矩陣使用一千多個通道對一釐米大小的大腦區域進行採樣，外部導線不到100根，它可以穩定的、長期的(預計至少持續6年)提供嚙齒類和非人類靈長類動物的體內神經記錄。這種長期的封裝、可擴展的設備設計和迭代的體內優化是克服下一代神經技術面臨障礙的重要組成部分。
超薄而靈活的神經矩陣
2、Nature Materials: 用於慢性神經界面的柔性生物電子材料
內容簡介：可用作長期穩定、高性能的電子記錄和刺激接口的大腦和神經系統其他部分的工程系統，具有著跨宏觀區域的細胞水平解析度，在神經科學和生物醫學界廣受關注。目前在生物相容性材料的開發和柔性植入物的設計方面仍然存在挑戰，研究人員的最終目標是獲得接近傳統晶圓技術的材料或系統的性能特性，並達到人類壽命的操作時間。美國西北大學John A. Rogers團隊對慢性神經界面的柔性生物電子材料這一領域進行了討論，重點介紹了具有生物相容性、優秀電子功能、能夠在生物體液長期穩定運行和體內可靠使用的主動和被動成分材料、設計結構和集成方法。調查了能夠在大區域內實現高時空解析度的多路電生理測繪的生物電子系統，尤其是已經在活體動物模型中被證明具有慢性穩定性的生物電子系統，以及在人類大腦尺度上可擴展到數千個通道的生物電子系統。
可作為神經接口的新興可植入生物電子平臺
3、Nature Communications: 可拉伸動態共價聚合物，用於生物可吸收電子刺激器，旨在促進神經肌肉再生
內容簡介：作為可用於疾病治療、加速傷口癒合以及消除感染的特殊治療平臺，可生物吸收電子刺激器得到迅速的發展和關注。無線、無電池可生物吸收的電子刺激器可在癒合初始階段提供反覆的近端電刺激，從而增強神經再生並改善功能性肌肉的恢復。但是，不理想的機械性能和相對短壽命的材料使得設備的壽命僅在6天左右。對於神經而言，這些時間不足以滿足傷口連續恢復的需求；並且僅能促進運動軸突再生的開始，而不能增加其再生速度和抑制因神經支配而引起的肌肉萎縮。美國西北大學的John A. Rogers和加州大學洛杉磯分校Song Li等人合作，克服了生物可吸收電子設備的關鍵挑戰，利用一種可生物吸收的動態共價聚氨酯（b-DCPU）作為基材和封裝塗層，使得設備能夠在周圍神經損傷的大鼠模型中作為遠端刺激器實現穩定、長壽命操作，從而證明了可編程的長期電刺激在維持肌肉感受性和增強功能恢復方面的潛力。
無線長壽命、生物可吸收電刺激設備
4、Nature Neuroscience: 神經技術最新進展
內容簡介：對解讀人類思維的基本機制和過程的興趣推動了現代神經科學研究的發展。支持這一目標的活動依賴於先進的方法和工程系統，這些方法和系統能夠詢問和刺激神經通路，從小網絡中的單個細胞到橫跨整個大腦的相互連接。最近的研究為廣泛的創造性神經技術奠定了基礎，這些技術在這種情況下能夠實現獨特的操作模式。美國西北大學的John A. Rogers團隊對那些在動物模型研究中已被證明具有實用價值的系統，以及具有一定技術成熟度的系統進行了綜述，這些系統在不久的將來可能廣泛應用於神經科學領域。綜述主要包括了對現有的和新興的神經科學技術的簡要總結，這些設備技術解決了電子、光學和微流體神經接口的相關機會，其中一些還具備多模態功能。在最近的神經科學研究中使用這些技術的例子充分證明了它們的實用價值。與這些平臺相關的工程科學的活力，該領域研究的跨學科性質及其與神經疾病治療重大挑戰的相關性，推動了該領域研究的持續增長。
支持多種神經科學方法的先進神經工程和技術平臺
5、Nature Biomedical Engineering: 一根導管解決心臟手術
內容簡介：配備有感測或致動元件的剛性導管和相對原始的操作模式阻礙了其與軟組織表面的保形接觸、限制了其使用範圍、延長了手術時間並增加了對高級手術技能的需求。美國西北大學的John A. Rogers、黃永剛和喬治華盛頓大學的Igor R. Efimov等人合作，報導了將先進的電子功能與用於微創心臟手術的導管相結合的材料、設備設計和製造方法，並構建了一個可尋址的、具備互聯陣列配置的、支持多模式診斷和治療功能集成的元件網絡系統。實驗結果表明，心內膜球囊導管上多層配置的柔性電子陣列可以與彎曲的組織表面建立共形接觸、可以同時支持溫度、壓力和電生理參數的高密度時空映射並允許在軟組織表面上實現可編程的電刺激、射頻消融（RFA）和不可逆電穿孔（IRE）等手術功能。研究人員對Langendorff兔和人心臟的研究證明了該系統的多功能性和高測量保真度。這種功能集成策略在微創手術中可以提高手術性能和患者預後。
多模式、多路復用微創手術用柔性傳感執行器及3D壓力傳感陣列設計、組裝和表徵
6、Science Advances:無線生物可吸收給藥系統
內容簡介：可植入的藥物釋放平臺可提供無線可編程的藥代動力學控制，在激素失衡、惡性腫瘤、糖尿病等疾病的高級治療方案中具有潛力。美國西北大學的John A. Rogers、華盛頓大學醫學院的Matthew MacEwan和韓國首爾大學的Seung-Kyun Kang等人合作，報導了一種能夠在病人體內釋放藥物且成分能夠完全生物吸收的系統。在該系統中，生物可吸收的聚酐材料儲將藥物儲存起來，在無線信號觸發後釋放藥物，不會產生藥物洩漏。這種無線觸發機制主要源於無線生物可吸收能量收集單元的電流通過而引起的幾何加速腐蝕。細胞培養的評估證明了這種技術釋放藥物阿黴素治療癌組織的有效性。在活體動物模型中，具有多個獨立控制釋放事件的平臺的完整體內研究表明了該系統通過定時釋放胰島素來控制血糖水平的能力。
無線可編程、生物可吸收給藥系統
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內容來源：高分子科學前沿
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