Electronic systems with physical properties matched to the human epidermis can be used in clinical monitoring.

Electronics that are capable of intimate, non-invasive integration with the soft, curvilinear surfaces of biological tissues offer important opportunities for diagnosing and treating disease and for improving brain/machine interfaces. This article describes a material strategy for a type of bio-interfaced system that relies on ultrathin electronics supported by bioresorbable substrates of silk fibroin. Mounting such devices on tissue and then allowing the silk to dissolve and resorb initiates a spontaneous, conformal wrapping process driven by capillary forces at the biotic/abiotic interface. Specialized mesh designs and ultrathin forms for the electronics ensure minimal stresses on the tissue and highly conformal coverage, even for complex curvilinear surfaces, as confirmed by experimental and theoretical studies. In vivo, neural mapping experiments on feline animal models illustrate one mode of use for this class of technology. These concepts provide new capabilities for implantable and surgical devices. Electronics that are capable of intimate integration with the surfaces of biological tissues create opportunities for improving animal/machine interfaces. A bio-interfaced system of ultrathin electronics supported by bioresorbable silk-fibroin substrates is now presented. Mounting such devices on tissue and then allowing the silk to dissolve initiates a conformal wrapping process that is driven by capillary forces.

Reversible Implants Silicon electronics are generally designed to be stable and robust—it would be counterproductive if the key parts of your computer or cell phone slowly dissolved away while you were using it. In order to develop transient electronics for use as medical implants, Hwang et al. (p. 1640 , see the cover) produced a complete set of tools and materials that would be needed to make standard devices. Devices were designed to have a specific lifetime, after which the component materials, such as porous silicon and silk, would be resorbed by the body.

This technical report describes a 360-channel flexible multi-electrode array with high spatial resolution, wide coverage area and minimal damage to the recorded neural tissue. Among other descriptions of multiunit in vivo neuronal recording in cats, the authors also use the electrode array to show spiral-patterned spread of epileptic neural activity in the neocortex. Arrays of electrodes for recording and stimulating the brain are used throughout clinical medicine and basic neuroscience research, yet are unable to sample large areas of the brain while maintaining high spatial resolution because of the need to individually wire each passive sensor at the electrode-tissue interface. To overcome this constraint, we developed new devices that integrate ultrathin and flexible silicon nanomembrane transistors into the electrode array, enabling new dense arrays of thousands of amplified and multiplexed sensors that are connected using fewer wires. We used this system to record spatial properties of cat brain activity in vivo, including sleep spindles, single-trial visual evoked responses and electrographic seizures. We found that seizures may manifest as recurrent spiral waves that propagate in the neocortex. The developments reported here herald a new generation of diagnostic and therapeutic brain-machine interface devices.

The ability to measure subtle changes in arterial pressure using devices mounted on the skin can be valuable for monitoring vital signs in emergency care, detecting the early onset of cardiovascular disease and continuously assessing health status. Conventional technologies are well suited for use in traditional clinical settings, but cannot be easily adapted for sustained use during daily activities. Here we introduce a conformal device that avoids these limitations. Ultrathin inorganic piezoelectric and semiconductor materials on elastomer substrates enable amplified, low hysteresis measurements of pressure on the skin, with high levels of sensitivity (~0.005 Pa) and fast response times (~0.1 ms). Experimental and theoretical studies reveal enhanced piezoelectric responses in lead zirconate titanate that follow from integration on soft supports as well as engineering behaviours of the associated devices. Calibrated measurements of pressure variations of blood flow in near-surface arteries demonstrate capabilities for measuring radial artery augmentation index and pulse pressure velocity. The development of more sensitive tools for physiological monitoring presents obvious advantages in health-care and diagnostic assessment. Here, the authors present a thin, skin-like sensor that uses enhanced responses in lead zirconate titanate for monitoring arterial pressure waves.

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.

Developing advanced surgical tools for minimally invasive procedures represents an activity of central importance to improving human health. A key challenge is in establishing biocompatible interfaces between the classes of semiconductor device and sensor technologies that might be most useful in this context and the soft, curvilinear surfaces of the body. This paper describes a solution based on materials that integrate directly with the thin elastic membranes of otherwise conventional balloon catheters, to provide diverse, multimodal functionality suitable for clinical use. As examples, we present sensors for measuring temperature, flow, tactile, optical and electrophysiological data, together with radiofrequency electrodes for controlled, local ablation of tissue. Use of such 'instrumented' balloon catheters in live animal models illustrates their operation, as well as their specific utility in cardiac ablation therapy. The same concepts can be applied to other substrates of interest, such as surgical gloves.

Flexible electronics and sensors that adhere to the surfaces of living, moving tissues allow detailed mapping of cardiac electrical activity in a porcine animal model.

Advanced MaterialsVolume 21, Issue 36 p. 3703-3707 Communication Ultrathin Silicon Circuits With Strain-Isolation Layers and Mesh Layouts for High-Performance Electronics on Fabric, Vinyl, Leather, and Paper Dae-Hyeong Kim, Dae-Hyeong Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorYun-Soung Kim, Yun-Soung Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorJian Wu, Jian Wu Department of Civil and Environmental Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA) Department of Mechanical Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA)Search for more papers by this authorZhuangjian Liu, Zhuangjian Liu Institute of High Performance Computing 1 Fusionopolis Way, #16-16 Connexis 138632 Singapore (Singapore)Search for more papers by this authorJizhou Song, Jizhou Song Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Miami Coral Gables, FL 33146 (USA)Search for more papers by this authorHoon-Sik Kim, Hoon-Sik Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorYonggang Y. Huang, Yonggang Y. Huang Department of Civil and Environmental Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA) Department of Mechanical Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA)Search for more papers by this authorKeh-Chih Hwang, Keh-Chih Hwang FML, Departments of Engineering Mechanics Tsinghua University Beijing, 100084 (P. R. China)Search for more papers by this authorJohn A. Rogers, Corresponding Author John A. Rogers jrogers@uiuc.edu Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Chemistry Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Mechanical Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Electrical and Computer Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA).Search for more papers by this author Dae-Hyeong Kim, Dae-Hyeong Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorYun-Soung Kim, Yun-Soung Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorJian Wu, Jian Wu Department of Civil and Environmental Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA) Department of Mechanical Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA)Search for more papers by this authorZhuangjian Liu, Zhuangjian Liu Institute of High Performance Computing 1 Fusionopolis Way, #16-16 Connexis 138632 Singapore (Singapore)Search for more papers by this authorJizhou Song, Jizhou Song Department of Mechanical and Aerospace Engineering University of Miami Coral Gables, FL 33146 (USA)Search for more papers by this authorHoon-Sik Kim, Hoon-Sik Kim Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Search for more papers by this authorYonggang Y. Huang, Yonggang Y. Huang Department of Civil and Environmental Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA) Department of Mechanical Engineering Northwestern University Evanston, IL 60208 (USA)Search for more papers by this authorKeh-Chih Hwang, Keh-Chih Hwang FML, Departments of Engineering Mechanics Tsinghua University Beijing, 100084 (P. R. China)Search for more papers by this authorJohn A. Rogers, Corresponding Author John A. Rogers jrogers@uiuc.edu Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Chemistry Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Mechanical Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA) Department of Electrical and Computer Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA)Department of Materials Science and Engineering Beckman Institute for Advanced Science and Technology and Frederick Seitz Materials Research Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Urbana, Illinois 61801 (USA).Search for more papers by this author First published: 22 September 2009 https://doi.org/10.1002/adma.200900405Citations: 333AboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Share a linkShare onFacebookTwitterLinked InRedditWechat Abstract We present various stretchable high-performance CMOS circuit demonstrations on unconventional substrates, such as fabric, vinyl, leather, and paper. Electronics on such substrates, especially paper, open up new and important application possibilities for electronics. Theoretical analysis reveals the underlying mechanics of these systems; electrical tests under mechanical cycling demonstrate the robustness of the designs. Citing Literature Volume21, Issue36September 25, 2009Pages 3703-3707 RelatedInformation

Sensors that can detect external stimuli and perceive the surrounding areas could offer an ability for soft biomimetic robots to use the sensory feedback for closed-loop control of locomotion. Although various types of biomimetic robots have been developed, few systems have included integrated stretchable sensors and interconnectors with miniaturized electronics. Here, we introduce a soft, stretchable nanocomposite system with built-in wireless electronics with an aim for feedback–loop motion control of a robotic earthworm. The nanostructured strain sensor, based on a carbon nanomaterial and a low-modulus silicone elastomer, allows for seamless integration with the body of the soft robot that can accommodate large strains caused by bending, stretching, and physical interactions with obstacles. A scalable, cost-effective, and screen-printing method manufactures an array of the strain sensors that are conductive and stretchable over 100% with a gauge factor over 38. An array of nanomembrane interconnectors enables a reliable connection between soft sensors and wireless electronics while tolerating the robot's multimodal movements. A set of computational and experimental studies of soft materials, stretchable mechanics, and hybrid packaging provides the key design factors for a reliable, nanocomposite sensor system. The miniaturized wireless circuit, embedded in the robot joint, offers real-time monitoring of strain changes during the motions of a robotic segment. Collectively, the soft sensor system presented in this work shows great potential to be integrated with other flexible, stretchable electronics for applications in soft robotics, wearable devices, and human-machine interfaces.