Stretchable electronics provide a foundation for applications that exceed the scope of conventional wafer and circuit board technologies due to their unique capacity to integrate with soft materials and curvilinear surfaces. The range of possibilities is predicated on the development of device architectures that simultaneously offer advanced electronic function and compliant mechanics. Here we report that thin films of hard electronic materials patterned in deterministic fractal motifs and bonded to elastomers enable unusual mechanics with important implications in stretchable device design. In particular, we demonstrate the utility of Peano, Greek cross, Vicsek and other fractal constructs to yield space-filling structures of electronic materials, including monocrystalline silicon, for electrophysiological sensors, precision monitors and actuators, and radio frequency antennas. These devices support conformal mounting on the skin and have unique properties such as invisibility under magnetic resonance imaging. The results suggest that fractal-based layouts represent important strategies for hard-soft materials integration. Stretchable electrodes provide the foundation for many applications but optimising the architecture to balance performance and flexibility is challenging. Here, the authors show that fractal designs offer new opportunities to tune the mechanical properties of such structures.

Materials and designs are presented for electronics and sensors that can be conformally and robustly integrated onto the surface of the skin. A multifunctional device of this type can record various physiological signals relevant to health and wellness. This class of technology offers capabilities in biocompatible, non-invasive measurement that lie beyond those available with conventional, point-contact electrode interfaces to the skin.

Thin, soft, and elastic electronics with physical properties well matched to the epidermis can be conformally and robustly integrated with the skin. Materials and optimized designs for such devices are presented for surface electromyography (sEMG). The findings enable sEMG from wide ranging areas of the body. The measurements have quality sufficient for advanced forms of human-machine interface. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Recent advances in electrodes for noninvasive recording of electroencephalograms expand opportunities collecting such data for diagnosis of neurological disorders and brain-computer interfaces. Existing technologies, however, cannot be used effectively in continuous, uninterrupted modes for more than a few days due to irritation and irreversible degradation in the electrical and mechanical properties of the skin interface. Here we introduce a soft, foldable collection of electrodes in open, fractal mesh geometries that can mount directly and chronically on the complex surface topology of the auricle and the mastoid, to provide high-fidelity and long-term capture of electroencephalograms in ways that avoid any significant thermal, electrical, or mechanical loading of the skin. Experimental and computational studies establish the fundamental aspects of the bending and stretching mechanics that enable this type of intimate integration on the highly irregular and textured surfaces of the auricle. Cell level tests and thermal imaging studies establish the biocompatibility and wearability of such systems, with examples of high-quality measurements over periods of 2 wk with devices that remain mounted throughout daily activities including vigorous exercise, swimming, sleeping, and bathing. Demonstrations include a text speller with a steady-state visually evoked potential-based brain-computer interface and elicitation of an event-related potential (P300 wave).

Research in stretchable electronics involves fundamental scientific topics relevant to applications with importance in human healthcare. Despite significant progress in active components, routes to mechanically robust construction are lacking. Here, we introduce materials and composite designs for thin, breathable, soft electronics that can adhere strongly to the skin, with the ability to be applied and removed hundreds of times without damaging the devices or the skin, even in regions with substantial topography and coverage of hair. The approach combines thin, ultralow modulus, cellular silicone materials with elastic, strain-limiting fabrics, to yield a compliant but rugged platform for stretchable electronics. Theoretical and experimental studies highlight the mechanics of adhesion and elastic deformation. Demonstrations include cutaneous optical, electrical and radio frequency sensors for measuring hydration state, electrophysiological activity, pulse and cerebral oximetry. Multipoint monitoring of a subject in an advanced driving simulator provides a practical example. The development of stretchable electronics has created a number of interesting applications, including in healthcare. Here, the authors present a stretchable and adhesive electronic skin patch capable of monitoring hydration state, electrophysiological activity, pulse and cerebral oximetry.

Stretchable electronic devices that exploit inorganic materials are attractive due to their combination of high performance with mechanical deformability, particularly for applications in biomedical devices that require intimate integration with human body. Several mechanics and materials schemes have been devised for this type of technology, many of which exploit deformable interconnects. When such interconnects are fully bonded to the substrate and/or encapsulated in a solid material, useful but modest levels of deformation (<30–40%) are possible, with reversible and repeatable mechanics. Here, the use of prestrain in the substrate is introduced, together with interconnects in narrow, serpentine shapes, to yield significantly enhanced (more than two times) stretchability, to more than 100%. Fracture and cyclic fatigue testing on structures formed with and without prestrain quantitatively demonstrate the possible enhancements. Finite element analyses (FEA) illustrates the effects of various material and geometric parameters. A drastic decrease in the elastic stretchability is observed with increasing metal thickness, due to changes in the buckling mode, that is, from local wrinkling at small thicknesses to absence of such wrinkling at large thicknesses, as revealed by experiment. An analytic model quantitatively predicts the wavelength of this wrinkling, and explains the thickness dependence of the buckling behaviors.

The design of an ultrathin, conformal electronic device that integrates electrotactile stimulation with electromyography, temperature, and strain sensing in a single, simple platform is reported. Experiments demonstrate simultaneous use of multiple modes of operation of this type of device in the sensorimotor control of robotic systems, in the monitoring of lower back exertion and in muscle stimulation. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Integration of capacitive sensing capabilities to epidermal electronic systems (EES) can enhance the robustness in operation for electrophysiological signal measurement. Capacitive EES designs are reusable, electrically safe, and minimally sensitive to motion artifacts. Experiments on human subjects illustrate levels of fidelity in ECG, EMG, and EOG recordings comparable to those of standard gel electrodes and of direct contact EES electrodes. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Non‐invasive, biomedical devices have the potential to provide important, quantitative data for the assessment of skin diseases and wound healing. Traditional methods either rely on qualitative visual and tactile judgments of a professional and/or data obtained using instrumentation with forms that do not readily allow intimate integration with sensitive skin near a wound site. Here, an electronic sensor platform that can softly and reversibly laminate perilesionally at wounds to provide highly accurate, quantitative data of relevance to the management of surgical wound healing is reported. Clinical studies on patients using thermal sensors and actuators in fractal layouts provide precise time‐dependent mapping of temperature and thermal conductivity of the skin near the wounds. Analytical and simulation results establish the fundamentals of the sensing modalities, the mechanics of the system, and strategies for optimized design. The use of this type of “epidermal” electronics system in a realistic clinical setting with human subjects establishes a set of practical procedures in disinfection, reuse, and protocols for quantitative measurement. The results have the potential to address important unmet needs in chronic wound management.

This study introduces a high-throughput, large-scale manufacturing method that uses aerosol jet 3D printing for a fully printed stretchable, wireless electronics. A comprehensive study of nanoink preparation and parameter optimization enables a low-profile, multilayer printing of a high-performance, capacitance flow sensor. The core printing process involves direct, microstructured patterning of biocompatible silver nanoparticles and polyimide. The optimized fabrication approach allows for transfer of highly conductive, patterned silver nanoparticle films to a soft elastomeric substrate. Stretchable mechanics modeling and seamless integration with an implantable stent display a highly stretchable and flexible sensor, deployable by a catheter for extremely low-profile, conformal insertion in a blood vessel. Optimization of a transient, wireless inductive coupling method allows for wireless detection of biomimetic cerebral aneurysm hemodynamics with the maximum readout distance of 6 cm through meat. In vitro demonstrations include wireless monitoring of flow rates (0.05-1 m s-1) in highly contoured and narrow human neurovascular models. Collectively, this work shows the potential of the printed biosystem to offer a high throughput, additive manufacturing of stretchable electronics with advances toward batteryless, real-time wireless monitoring of cerebral aneurysm hemodynamics.