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.

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.

Significance Heart rate monitors, pacemakers, cardioverter-defibrillators, and neural stimulators constitute broad classes of electronic implants that rely on battery power for operation. Means for harvesting power directly from natural processes of the body represent attractive alternatives for these and future types of biomedical devices. Here we demonstrate a complete, flexible, and integrated system that is capable of harvesting and storing energy from the natural contractile and relaxation motions of the heart, lung, and diaphragm at levels that meet requirements for practical applications. Systematic experimental evaluations in large animal models and quantitatively accurate computational models reveal the fundamental modes of operation and establish routes for further improvements.

Sensitive sensing Neonatal care, particularly for premature babies, is complicated by the infants' fragility and by the need for a large number of tethered sensors to be attached to their tiny bodies. Chung et al. developed a pair of sensors that only require water to adhere to the skin and allow for untethered monitoring of key vital signs (see the Perspective by Guinsburg). On-board data processing allowed for efficient wireless near-field communication using standard protocols. The absence of cables makes it easier to handle the infants and allows for skin-to-skin contact between the babies and their parents or caregivers. Science , this issue p. eaau0780 ; see also p. 924

Inorganic light-emitting diodes and photodetectors represent important, established technologies for solid-state lighting, digital imaging and many other applications. Eliminating mechanical and geometrical design constraints imposed by the supporting semiconductor wafers can enable alternative uses in areas such as biomedicine and robotics. Here we describe systems that consist of arrays of interconnected, ultrathin inorganic light-emitting diodes and photodetectors configured in mechanically optimized layouts on unusual substrates. Light-emitting sutures, implantable sheets and illuminated plasmonic crystals that are compatible with complete immersion in biofluids illustrate the suitability of these technologies for use in biomedicine. Waterproof optical-proximity-sensor tapes capable of conformal integration on curved surfaces of gloves and thin, refractive-index monitors wrapped on tubing for intravenous delivery systems demonstrate possibilities in robotics and clinical medicine. These and related systems may create important, unconventional opportunities for optoelectronic devices. Flexible electronic devices that can be stretched without losing performance have seen increasing functionality. In particular, the demonstration of light-emitting diodes and photodetectors on flexible electronic substrates now opens the door to applications of flexible optoelectronic sheets in biomedicine and robotics.

Epidermal electronics with advanced capabilities in near field communications (NFC) are presented. The systems include stretchable coils and thinned NFC chips on thin, low modulus stretchable adhesives, to allow seamless, conformal contact with the skin and simultaneous capabilities for wireless interfaces to any standard, NFC-enabled smartphone, even under extreme deformation and after/during normal daily activities. 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.

Curved surfaces, complex geometries, and time-dynamic deformations of the heart create challenges in establishing intimate, nonconstraining interfaces between cardiac structures and medical devices or surgical tools, particularly over large areas. We constructed large area designs for diagnostic and therapeutic stretchable sensor and actuator webs that conformally wrap the epicardium, establishing robust contact without sutures, mechanical fixtures, tapes, or surgical adhesives. These multifunctional web devices exploit open, mesh layouts and mount on thin, bio-resorbable sheets of silk to facilitate handling in a way that yields, after dissolution, exceptionally low mechanical moduli and thicknesses. In vivo studies in rabbit and pig animal models demonstrate the effectiveness of these device webs for measuring and spatially mapping temperature, electrophysiological signals, strain, and physical contact in sheet and balloon-based systems that also have the potential to deliver energy to perform localized tissue ablation.

Implantable endovascular devices such as bare metal, drug eluting, and bioresorbable stents have transformed interventional care by providing continuous structural and mechanical support to many peripheral, neural, and coronary arteries affected by blockage. Although effective in achieving immediate restoration of blood flow, the long-term re-endothelialization and inflammation induced by mechanical stents are difficult to diagnose or treat. Here we present nanomaterial designs and integration strategies for the bioresorbable electronic stent with drug-infused functionalized nanoparticles to enable flow sensing, temperature monitoring, data storage, wireless power/data transmission, inflammation suppression, localized drug delivery, and hyperthermia therapy. In vivo and ex vivo animal experiments as well as in vitro cell studies demonstrate the previously unrecognized potential for bioresorbable electronic implants coupled with bioinert therapeutic nanoparticles in the endovascular system.

Biomimetic miniaturized suction cups (mSCs) are designed for the patient friendly, dry adhesives of smart medical skin. Both strong van der Waals force and induced negative pressure by the ultrasoft mSCs facilitate tight skin coupling without discomfort or irritations, improve sensitivities of the embedded stretchable electronics for continuous vital sign monitoring, and enable multiple drug reloading without loss of the adhesion. 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.