We report classes of electronic systems that achieve thicknesses, effective elastic moduli, bending stiffnesses, and areal mass densities matched to the epidermis. Unlike traditional wafer-based technologies, laminating such devices onto the skin leads to conformal contact and adequate adhesion based on van der Waals interactions alone, in a manner that is mechanically invisible to the user. We describe systems incorporating electrophysiological, temperature, and strain sensors, as well as transistors, light-emitting diodes, photodetectors, radio frequency inductors, capacitors, oscillators, and rectifying diodes. Solar cells and wireless coils provide options for power supply. We used this type of technology to measure electrical activity produced by the heart, brain, and skeletal muscles and show that the resulting data contain sufficient information for an unusual type of computer game controller.

We have developed a simple approach to high-performance, stretchable, and foldable integrated circuits. The systems integrate inorganic electronic materials, including aligned arrays of nanoribbons of single crystalline silicon, with ultrathin plastic and elastomeric substrates. The designs combine multilayer neutral mechanical plane layouts and “wavy” structural configurations in silicon complementary logic gates, ring oscillators, and differential amplifiers. We performed three-dimensional analytical and computational modeling of the mechanics and the electronic behaviors of these integrated circuits. Collectively, the results represent routes to devices, such as personal health monitors and other biomedical devices, that require extreme mechanical deformations during installation/use and electronic properties approaching those of conventional systems built on brittle semiconductor wafers.

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.

Sensory receptors in human skin transmit a wealth of tactile and thermal signals from external environments to the brain. Despite advances in our understanding of mechano- and thermosensation, replication of these unique sensory characteristics in artificial skin and prosthetics remains challenging. Recent efforts to develop smart prosthetics, which exploit rigid and/or semi-flexible pressure, strain and temperature sensors, provide promising routes for sensor-laden bionic systems, but with limited stretchability, detection range and spatio-temporal resolution. Here we demonstrate smart prosthetic skin instrumented with ultrathin, single crystalline silicon nanoribbon strain, pressure and temperature sensor arrays as well as associated humidity sensors, electroresistive heaters and stretchable multi-electrode arrays for nerve stimulation. This collection of stretchable sensors and actuators facilitate highly localized mechanical and thermal skin-like perception in response to external stimuli, thus providing unique opportunities for emerging classes of prostheses and peripheral nervous system interface technologies. An integrated electronic platform with site-specific sensitivity is highly needed for medical applications. Here, Kim et al.report a stretchable prosthetic skin composed of ultrathin single crystalline silicon nanoribbon array, which can sense strain, pressure and temperature spontaneously.

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.

Flexible and stretchable electronics and optoelectronics configured in soft, water resistant formats uniquely address seminal challenges in biomedicine. Over the past decade, there has been enormous progress in the materials, designs, and manufacturing processes for flexible/stretchable system subcomponents, including transistors, amplifiers, bio‐sensors, actuators, light emitting diodes, photodetector arrays, photovoltaics, energy storage elements, and bare die integrated circuits. Nanomaterials prepared using top‐down processing approaches and synthesis‐based bottom‐up methods have helped resolve the intrinsic mechanical mismatch between rigid/planar devices and soft/curvilinear biological structures, thereby enabling a broad range of non‐invasive, minimally invasive, and implantable systems to address challenges in biomedicine. Integration of therapeutic functional nanomaterials with soft bioelectronics demonstrates therapeutics in combination with unconventional diagnostics capabilities. Recent advances in soft materials, devices, and integrated systems are reviewes, with representative examples that highlight the utility of soft bioelectronics for advanced medical diagnostics and therapies.

A sweat-based glucose monitoring device with transdermal drug delivery is developed for noninvasive diabetes treatment.