据中国激光杂志社网，于2023年08月11日报道，柔性有机光子器件：智慧医学新未来。
封面解读
封面从材料、器件及应用三个层面，展示了基于柔性有机聚合物光纤的智能仿生手的应用示例。通过分布式多模态光纤传感技术，构建感知反馈神经通路，让仿生手拥有类似人手的本体感觉和触觉感知功能，继而实现精细、灵活的操作能力。
一、研究背景
自20世纪以来，以石英玻璃、硅等为代表的无机材料，由于具有优异的透光率、高折射率和易结构加工等优点，在光波导、光栅、光子晶体、光探测器等光子器件的发展和应用中发挥着极其重要的作用。特别地，随着硅基光电子技术的发展和持续创新，将高密度的光子器件与微电子电路集成在一个模块甚至单个芯片已逐步实现，并广泛应用于数据通信、光照明、光显示、光传感和光计算等领域。
尽管取得了长足发展，这些传统的光子材料受限于自身固有刚性，在拉伸、扭转、弯曲等形变作用下极易发生断裂或功能受损，导致其在大形变应用场景中受限。尤其随着新兴医疗技术、先进机器人技术等对光子器件需求的不断增加，对光子器件特性提出了更多新的要求，如机械柔韧性、可拉伸性、生物相容性甚至生物可降解性。
为同时实现优异的光学性能和生物力学性能，基于柔性有机聚合物材料的光子器件受到研究学者的广泛关注和研究。柔性有机光子器件能够通过拉伸或者变形来适应不同规则的表面，可作为机器人的仿生皮肤以模拟人类皮肤的触觉感知功能，也可作为可穿戴设备贴敷于皮肤表面进行健康监测，甚至可以植入生物体内进行医疗诊断和治疗，极大地拓展了光子器件的功能和应用范围，未来将可能在健康医疗、可穿戴设备、机器人等领域带来颠覆式变革。
二、材料、器件与制备工艺
柔性光子器件的材料选取和制备工艺对于器件的性能起着至关重要的作用。针对不同的应用需求，针对不同的应用需求，目前用于柔性光子器件的有机聚合物材料主要包括水凝胶、有机弹性体、有机合成高分子等，并在此基础上发展了包括模具成型、3D打印、纺丝、激光切割及软刻蚀等制备工艺。
2.1 水凝胶材料
水凝胶是一类由亲水性聚合物交联而形成的三维网络材料，能够容纳大量的水或组织液，具有良好的生物相容性、柔软性以及类似人体软组织的结构特质，在组织工程、伤口敷料、药物传递、细胞培养等生物医学领域得到广泛应用。通过分子或网络结构设计，水凝胶可以被赋予高度的透光率、折射率可调控性以及外界刺激响应性，成为生物医用光子器件的绝佳材料。迄今为止，多种水凝胶材料已被用于光子器件的制备，包括聚乙二醇二丙烯酸（PEGDA）、聚丙烯酰胺(PAAm), 海藻酸（Alginate）。图1展示了基于模具成型及动态湿法纺丝工艺制备的水凝胶光波导器件。
此外，通过在微纳尺度控制水凝胶的结构特征（如交联密度、微观形貌等），可以制备和实现复杂的微纳光子结构。利用微纳结构设计能够增强光与材料的相互作用，从而提高水凝胶光学传感器的灵敏度（图2）。
2.2 弹性体材料
由于人体组织柔软、具有弹性且会随着人体运动而发生移动，刚性硬质的光子器件与组织接触存在机械损伤风险。虽然水凝胶光子器件能够提供类似软组织的生物力学性能，但由于其高度的含水特性，只适用于潮湿的生理环境。基于PDMS、TPE材料等有机弹性体材料的光子器件，有良好的柔韧性、可拉伸性、生物相容性、化学惰性及热稳定性，在非潮湿环境下工作时也能保持良好的机械和光学特性。图3所示为采用模具成型、共挤成型工艺、高温熔融拉丝等技术制备的弹性体光波导器件。
除了波导结构外，有机弹性体材料还被用于光子晶体、衍射光栅等微纳光子器件的制备（图4）。
2.3 生物可降解材料
可降解聚合物材料通常由天然衍生的高分子加工而成，具有理想的生物相容性和生物可降解性，在药物的可控释放、细胞封装及组织修复与再生等临床医学领域发挥着重要作用。特别地，以天然丝、琼脂和纤维素等为代表的天然生物材料，被证明可以作为光子材料，用于开发植入式的医疗光子器件（图5）。这些功能性的光子器件在植入人体并完成预期功效后，可以在体内自然降解，最终被人体吸收，无需再进行额外的手术取出，从而减少创伤。
三、柔性光子器件的应用
3.1 植入式生物医学检测与治疗
由于具有小巧、快速、精准且副作用小等优势，柔性光子器件可以通过使用生物相容性或生物可降解性的材料，实现植入式的生物传感、成像及治疗。生物相容的光子器件在植入人体后，不会引起细胞毒性或者免疫反应，从而能够在体内长期工作。而基于生物可降解材料的光子器件能够在体内自行降解，避免二次手术取出，为植入式医学应用提供新的可能。植入式光子器件已在原位分析物检测（如葡萄糖、血氧含量、金属离子等）、光动力疗法及光遗传学等诸多领域取得重要进展（图6）。
可穿戴医疗器件能够贴附人体表面，连续、无创地监测如血压、脉搏、体温等健康指征，在人体运动监测、疾病早期诊断及康复护理等发挥着重要作用。在过去几十年的研究中，各种柔性可拉伸的电子材料和结构如半导体材料、碳纳米材料等被研发用于穿戴式的生理监测。尽管取得了长足进展，但电子传感器在抗电磁干扰、多功能集成和生物相容性等方面仍面临挑战。可穿戴式的柔性光子器件，兼具柔性电子器件的功能性及传统光子器件固有的高精度、抗电磁干扰及可复用等独特优势，为可穿戴医疗设备的发展提供新的方向和机遇（图7）。
3.3 人机交互与机器人
人机交互是实现人与机器之间进行双向信息交互的技术，通过人与机器之间深度的信息融合，最终实现让机器成为人体器官功能的延伸与放大。柔性光子传感器具有类似人体皮肤的可拉伸性以及对外界刺激的高灵敏、快速响应性，在人机交互及智能机器人领域展现出巨大的应用潜力。如图8所示，柔性光子传感器可以集成到仿生手、机械臂上，提供不同手指运动的触觉映射，实现对抓握物体的硬度、粗糙度和形状的感知，从而赋予机器人类似人体皮肤的触觉感知功能。
另外，构建具有多模态传感能力的触觉传感器可以为仿人类机器人实现更高效的自主决策和执行任务提供基础。通过对空间位置和多模态形变的解耦，传感器能够多种形变的估计识别和外部力学刺激的实时重建，为仿生触觉感知和高智能机器人技术的发展提供了新思路（图9）。
四、总结与展望
柔性有机光子器件突破了传统刚性光子器件应用的局限性，具有可拉伸、可弯曲、形态可变、功能可控等优势，为实现人-物-环境信息的高效共融提供有力工具。其中，生物相容性或者生物可降解的柔性光子器件可以植入人体进行疾病的精确诊断和精准治疗，有望构建可广泛应用于临床医学的先进诊疗器械。然而，柔性光子器件生物性能的提升往往是以牺牲其光学性能为代价。
为了发展进一步的临床应用，未来需要探索更先进的材料方法和器件工艺，进一步提升器件的光学性能，以实现更深层组织中的光传感与治疗。此外，当前柔性光子器件的研究大多局限于单一功能的实现和提升，还未充分发挥光子技术的优势和潜力。例如，利用光的振幅、相位、频率、偏振等丰富的自由度，可以在多个维度上对传感信号进行复用，为健康监测和疾病诊断提供更加全面、精准的生理信息。
在未来，高性能、低功耗以及低成本是后摩尔时代信息器件发展的最重要方向之一。柔性光子器件的未来也将顺应这一方向朝着小型化、轻便化、集成化发展，同时融合信息、电子、人工智能等多领域技术，为健康医疗、人机交互、智能机器人等领域的发展提供长久动力。
作者简介
郭晶晶，北京航空航天大学副教授，博士毕业于清华大学精仪系，2015-2016年获国家留学基金委资助赴哈佛大学医学院联合培养。主要从事柔性光子材料与器件基础科学及应用领域研究，曾获全国光学工程学科优秀博士学位论文奖、金国藩青年学子奖、王大珩光学奖、清华大学优秀博士后，入选人社部第三批“博士后创新人才支持计划”、“北航青年拔尖人才支持计划”，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目等课题。迄今为止，在Advanced Materials、Science Advances、Advanced Functional Materials、Optica、Nano Energy等重要期刊发表论文26篇，5篇论文的单篇引用次数>100。研究成果曾被MIT News，OSA Optics & Photonics News, Laser Focus World等权威学术媒体14次突出报道。担任《光学学报》、View青年编委、Applied Science 客座编辑、中国人工智能学会青工委委员。
徐立军，教授，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长。国家杰青、长江学者，全国优秀科技工作者，IEEE Fellow，AAIA Fellow。研究领域为声光电探测与成像，近年主持省部级以上项目30余项，发表SCI论文200余篇，EI论文220余篇，获批发明专利120余项，获教育部技术发明一等奖2项，获中国仪器仪表学会科学技术一等奖、天津市自然科学二等奖、三等奖各1项。作为大会主席多次主办国际会议并作特邀报告。现任期刊Meas. Sci. Techn.和Biom. Sign. Proc. Contr.编委、北航大学学报副主编、中国计算机自动测量与控制技术协会副理事长、北京仪器仪表学会副理事长、中国仪器仪表学会常务理事、中国计量测试学会常务理事、中国计量测试学会多相流测试专业委员会副主任。
