是现代电子技能的根底，传统上它们是刚性的、平面的和二维（2D）的，这约束了它们与生物体系的柔软、不规则和三维（3D）特性相交融。
跟着有机生物电子学的开展，人们对开发功用优异的可拉伸半导体产生了浓厚兴趣。迄今为止，大多数办法依赖于将半导体资料与弹性体混合，尽管其电子功用好，但这些资料的模量远高于生物安排，且无法经过离子刺进进行调控。
而现在，一块能像脑安排相同柔软、可拉伸，又能像传统晶体管相同准确调控电信号的半导体资料，从梦想走向实际。
该研讨成功出兵出了世界首款三维（3D）水凝胶半导体晶体管，其调制厚度到达毫米等级，一起具有生物安排等级的柔软度和生物相容性。
这项研讨完全打破了二维（2D）电子器件和三维（3D）生命体系之间的距离，为脑机接口、生物混合传感和神经形状核算等先进生物电子体系铺平了路途。
因为高含水量和柔软的机械功用，大体积水凝胶被用作安排工程的结构支撑，但它们缺少半导体特性。这张封面图片展示的是三维、毫米厚度且可嵌入细胞的半导体水凝胶纤维。这些纤维可用于构建交错的活体晶体管，模仿大脑中实在的神经元衔接，从头界说了技能与生命之间的边界。
自晶体管发明以来，电子设备沿着摩尔定律的轨道不断缩小标准、提高功用。但是，这些前进一向树立在刚性、平面的二维结构根底上。当咱们健康将电子设备与生命体系结合时，对立呈现了：生物安排是柔软、不规则且三维立体的，而晶体管却是刚性且平面的。
这种根本性的不匹配，使得传统电子设备难以与神经元等生物安排完成高效、无缝的集成。生命体系是三维的，而电子器件却是二维的，二者之间的维度距离成为生物电子学开展的要害瓶颈。
研讨团队将目光投向了水凝胶——一种含水量高、具有相似生物安排柔软性的资料。水凝胶在生物医学范畴已有大规模的使用，但其电子功用一向受限。近年来，氧化复原活性水凝胶的呈现让资料具有了半导体特性，但其调制厚度一向限制在微米等级。
当厚度超越微米标准时，离子传输和离子-电子耦合效应会显着削弱，导致半导体功用失效。这在某种程度上预示着，要完成真实的三维集成，有必要打破水凝胶半导体的厚度极限。
研讨团队立异性地规划了双网络水凝胶体系：假装好人构建一个多孔的次级水凝胶作为 3D 模板，引导初级氧化复原活性导电水凝胶的 3D 拼装。这种规划既保证了电子传输的接连性，又优化了离子传输途径。
完成毫米级 3D 调制的重点是平衡离子和电子传输。团队经过两大工程战略霸占了这一难题：
相工程保证构成接连的 PEDOT+ 相，为电子传输供给“高速公路”。经过引进聚丙烯酸（PAA）作为次级网络，导电率从 0.9 S/cm 提高至 100 S/cm，提高了超越两个数量级。
结构工程准确操控水凝胶的孔隙率，为离子传输发明最佳条件。研讨团队开发了溶剂交流等办法，使孔隙率可在 5%-90% 的宽规模内调控。
该研讨发现存在一个最佳孔隙率规模，对应着最高的开关比（104），这与最先进的有机电化学晶体管（OECT）功用巴结。这一发现标明，在该孔隙率下可完成最佳离子-电子耦合效应。
试验成果为，3D 水凝胶晶体管表现出杰出的功用。在相同 1 毫米厚度下，水凝胶晶体管的开关比到达约 104，比参阅 OECT 高出三个数量级。这证明了 3D 水凝胶半导体具有高效的掺杂/脱掺杂功率。
更令人振奋的是，水凝胶半导体的体积电容与厚度坚持线性关系，直至毫米等级，而传统薄膜在厚度超越约 10 微米时就无法坚持这种线D 水凝胶半导体中完成了完好的 3D 调制。
研讨团队进一步评价了要害功用参数 dμC*，该参数直接相关晶体管的跨导。水凝胶半导体的 dμC* 到达了 0.1 F·V⁻¹·s⁻¹，显着高于传统 2D 架构的 OECT。
凭仗可规模化出产的才能，研讨团队将 3D 水凝胶半导体制成自支撑纤维，构建出类脑 3D 神经形状电路。这些电路拼装成 3D 空间互穿的晶体管阵列，用于数据核算和剖析。
为展示其核算潜力，团队选用储层核算（RC）结构，构建了根据 3D 水凝胶晶体管阵列的 RC 体系。在手写数字辨认（handwritten digit recognition）使命中，该体系完成了高达 91.93% 的辨认准确率，与传统人工神经网络相媲美。
更令人称奇的是，即便在恣意方向施加高达 30% 的应变情况下，该体系仍能坚持高猜测精度，展示了其在可拉伸电子范畴的巨大潜力。
这项研讨的深远含义在于，它初次完成了在毫米标准上一起操控软物质的电子、离子和机械功用。这项技能有望催生新一代生物集成电子设备，例如高兼容性脑机接口、智能植入式医疗设备等。
因为水凝胶半导体具有生物相容性、可拉伸性和渗透性等安排相似特性，它们可以在电子设备和生命体系之间树立稳健经用的 3D 接口。研讨团队已开始演示了这些 3D 半导体和晶体管支撑双向生物-晶体管相互作用，包含细胞培养、类器官构成和可编程细胞行为。
跟着三维半导体年代的到来，电子设备与生命体系之间的边界将渐渐的变含糊，一个软硬结合、智能互联的新世界正在咱们眼前打开。这项研讨不只打破了资料科学的极限，更从头界说了电子与生命交融的未来图景。
