在21世纪的科技浪潮中，柔性电子学作为一项革命性技术，正逐渐改变着我们对电子设备的传统认知。北京大学胡又凡教授领导的研究团队，在多个方面取得了重要进展，包括超低功耗可生物集成电路、表皮电子系统、高速柔性电路、以及柔性高性能可穿戴传感系统等。这些研究成果不仅展示了碳纳米管材料在柔性电子学领域的巨大潜力，也为新型电子技术的发展提供了重要的技术支持。

胡又凡教授至今发表期刊论文80余篇，引用超过12000余次，2019-2023连续5年入选全球前2%顶尖科学家。这些成果充分证明了她在纳米电子器件和柔性集成电路领域的卓越贡献和领导地位。

能够应用于先进生物、医疗系统的电子元器件和集成电路受到多个领域的广泛关注，而如何做到在生物体与数字世界之间友好交互是一个极为重要的课题。胡又凡课题组充分利用碳纳米管可进行低温工艺的优势，在生物可降解柔性基底上构建了基本电子元器件和集成电路，采用转移工艺转移到任意表面（如手腕皮肤、生物降解材料、树叶等），并且实现了器件和电路在弯曲的树叶上的正常工作。制备得到的薄膜晶体管具有超低功耗和超高的均一性，实现轨对轨输出的基本逻辑门、基本运算单元以及存储单元等，有望用于下一代的生物电子集成系统，并对生物监测、疾病诊断分析等领域应用产生巨大推动作用。相关工作以“Low-power carbon nanotube-based integrated circuits that can be transferred to biological surfaces”为题，发表于《自然.电子学》（Nature Electronics, 1, 237, 2018）。

可转移到生物表面的超低功耗集成电路

表皮电子系统由于其与皮肤和生物体紧密共形的接触，在个性化医疗、智能诊断和健康监测等领域展现出重要的应用价值和广阔前景。胡又凡课题组以碳纳米管网络薄膜作为半导体材料，构建了包含柔性传感器、传感界面电路和存储阵列的集成表皮电子系统。这一系统基于异质叠层栅介质结构所构建的碳纳米管柔性闪存器能够实现超过10⁸次的数据读写。所构建的碳纳米管柔性差分放大电路能够实现超过27dB的增益，43dB的共模抑制比和22KHz的增益带宽积。基于该系统展示了对于体表心电信号、湿度信号和温度信号的记录、放大和存储，有望用于构建下一代个性化诊疗和健康监测平台。相关工作以“An epidermal electronic system for physiological information acquisition, processing, and storage with an integrated flash memory array”为题，发表于《科学. 进展》（Science Advances, 8, eabp8075, 2022）

a) 表皮电子系统图示；b) 位于人体皮肤表面的集成表皮电子系统；c) 表皮电子系统的空间架构布局；d）传感器；e）界面电路；f) 存储阵列的空间结构；g)表皮电子系统的信息流向

柔性系统需要高速的柔性电路来实现实时信息分析或为新型应用构建无线通信模块，但是受限于现有柔性电子器件的性能，实现高性能、高速度的柔性集成电路仍然存在严峻挑战。胡又凡-彭练矛联合课题组充分利用碳纳米管材料迁移率高、机械性能好等优势，通过器件尺寸缩减实现了高性能柔性晶体管，所构造的环形振荡器最高实现了356MHz的工作频率，等效于281ps的单级门延时，首次实现了基于柔性器件的亚纳秒门延时的高速柔性集成电路，充分展示了柔性碳纳米管晶体管在高速、低功耗柔性电路领域的应用潜力。相关工作以“Carbon nanotube-based flexible high-speed circuits with sub-nanosecond stage delays”为题，发表于《自然 通讯》（Nature Communications, 13, 6734，2022）。

a) 亚纳秒延时的环形振荡器输出频谱图；b) 基于各种材料体系的柔性环形振荡器对比

近年来，新型可穿戴设备在各种应用领域中受到了广泛关注，如人体运动监测，医疗监测和人机交互等等。其中，可穿戴手语识别设备对于消除手语使用人群和非手语使用人群之间交流障碍具有重要意义。然而，由于手语是一种结构复杂的语言，涉及连续和动态的各种手势，因此实现高鲁棒性的手语识别是一个很大的挑战。胡又凡课题组提出了一种由卷积神经网络（CNN）实现的可穿戴手语识别系统。该系统集成了可拉伸应变传感器和的惯性测量单元，以感知手的姿势和运动轨迹，利用一种融合多滑动窗口并使用相关性分析结合CNN来提高正确率的方法，对于孤立手语单词的识别准确率达到95.85%，对50个句子样本的正确率达到84%。相关工作以“A wearable system for sign language recognition enabled by a convolutional neural network”为题，发表于《纳米能源》（Nano Energy, 116, 108767, 2023）。

手语识别系统的3D示意图、实物图以及对汉语手语单词和句子的识别

因肌肉长期刺激或使用所引起的肌肉疲劳是运动损伤的主要诱因，适量的肌肉锻炼能够很大程度提高肌肉抗疲劳能力。与此同时，在运动或康复训练时，有效地实时监测评估肌肉力量和疲劳状态对更准确地提供运动量和运动强度的指导都非常重要。胡又凡课题组设计了一种柔性无线表皮肌电信号监测系统，该系统由可拉伸的表皮肌电传感贴片和柔性印刷电路系统构成，能够以可穿戴的方式提供实时肌电强度和疲劳度监测。该研究提出了一种多特性提取和模式动态选择的信号分析策略，通过提取表皮肌电信号的六种时域特征与两种频域特征，动态选择最优相关性特征参数，可对人体肌肉力量和疲劳度进行精准实时评估，并将相应信息无线传输到手机并即时显示在手机上，实现了可穿戴的便捷监测。相关工作以“A Flexible Wireless sEMG System for Wearable Muscle Strength and Fatigue Monitoring in Real Time”为题，发表于《先进电子材料》（Advanced Electronic Materials，9, 2200916, 2023)。

柔性无线表皮肌电信号监测系统和对肌肉力量和疲劳的实时监测评估

从超低功耗可生物集成电路和高速柔性电路，再到表皮电子系统和可穿戴传感系统，这些创新技术的应用前景广阔，预示着柔性电子学将在未来的健康监测、个性化医疗、智能诊断等多个领域扮演重要角色。胡教授团队的工作不仅推动了相关技术的发展，也为整个社会带来了积极的影响。随着科技的不断进步，我们有理由相信，柔性电子学将继续以其独特的优势，为人类社会的发展贡献力量。

2020年10月16日，胡又凡教授在iCANX 27期带来主题为《Carbon Nanotube-Based High-Performance Flexible Electronics and Integrated Smart Sensor Systems基于碳纳米管的高性能柔性电子和集成智能传感器系统》的分享：

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