A soft, skin-mounted microfluidic device captures microliter volumes of sweat and quantitatively measures biochemical markers by colorimetric analysis.

The fast-growing field of bioelectronic medicine aims to develop engineered systems that can relieve clinical conditions by stimulating the peripheral nervous system1–5. This type of technology relies largely on electrical stimulation to provide neuromodulation of organ function or pain. One example is sacral nerve stimulation to treat overactive bladder, urinary incontinence and interstitial cystitis (also known as bladder pain syndrome)4,6,7. Conventional, continuous stimulation protocols, however, can cause discomfort and pain, particularly when treating symptoms that can be intermittent (for example, sudden urinary urgency)8. Direct physical coupling of electrodes to the nerve can lead to injury and inflammation9–11. Furthermore, typical therapeutic stimulators target large nerve bundles that innervate multiple structures, resulting in a lack of organ specificity. Here we introduce a miniaturized bio-optoelectronic implant that avoids these limitations by using (1) an optical stimulation interface that exploits microscale inorganic light-emitting diodes to activate opsins; (2) a soft, high-precision biophysical sensor system that allows continuous measurements of organ function; and (3) a control module and data analytics approach that enables coordinated, closed-loop operation of the system to eliminate pathological behaviours as they occur in real-time. In the example reported here, a soft strain gauge yields real-time information on bladder function in a rat model. Data algorithms identify pathological behaviour, and automated, closed-loop optogenetic neuromodulation of bladder sensory afferents normalizes bladder function. This all-optical scheme for neuromodulation offers chronic stability and the potential to stimulate specific cell types. A closed-loop implantable bioelectronic device that can modulate peripheral neuronal activity is used to improve bladder function in a rat model of cystitis.

Piezoelectric microsystems are of use in areas such as mechanical sensing, energy conversion and robotics. The systems typically have a planar structure, but transforming them into complex three-dimensional (3D) frameworks could enhance and extend their various modes of operation. Here, we report a controlled, nonlinear buckling process to convert lithographically defined two-dimensional patterns of electrodes and thin films of piezoelectric polymers into sophisticated 3D piezoelectric microsystems. To illustrate the engineering versatility of the approach, we create more than twenty different 3D geometries. With these structures, we then demonstrate applications in energy harvesting with tailored mechanical properties and root-mean-square voltages ranging from 2 mV to 790 mV, in multifunctional sensors for robotic prosthetic interfaces with improved responsivity (for example, anisotropic responses and sensitivity of 60 mV N−1 for normal force), and in bio-integrated devices with in vivo operational capabilities. The 3D geometries, especially those with ultralow stiffnesses or asymmetric layouts, yield unique mechanical attributes and levels of functionality that would be difficult or impossible to achieve with conventional two-dimensional designs. Nonlinear buckling processes can be used to transform thin films of piezoelectric polymers into sophisticated 3D piezoelectric microsystems with applications in energy harvesting, multifunctional sensing and bio-integrated devices.

This paper introduces a liquid-metal integrated system that combines soft electronics materials and engineering designs with advanced near-field-communication (NFC) functionality for human motion sensing. All of the active components, that is, strain sensor, antenna and interconnections, in this device are made of liquid metal, and the device has unique gel-like characteristics and stretchability. Patterning procedures based on selective wetting properties of the reduced GaInSn enable a skin-attachable, miniaturized layout, in which the diameter of the device is less than 2 cm. Electromechanical characterization of the strain sensor and antenna reveals their behaviors under large uniaxial tensile and compressive strains, as well as more complex modes of deformation. Demonstrations of these devices involve their use in monitoring various human motions in a purely wireless fashion; examples include wrist flexion, movements of the vocal cord and finger motion. This simple platform has potential for use in human–machine interfaces for prosthetic control and other applications. A battery-free sensor that wirelessly transmits data while attached to skin relies on unique liquid-gallium materials for its success. Unlike liquid mercury, gallium is safe to handle in ambient conditions and hence is suitable for use in devices that seek to conform to the soft contours of the human body while remaining conductive. Jeong Sook Ha from Korea University and colleagues designed special patterns in polydimethylsiloxane films to create a liquid-metal strain sensor with a built-in antenna. By removing an outer oxide crust that adheres to nearly any surface, the team solved problems associated with patterning difficult-to-treat bare liquid metals. They demonstrated that changes in resistance from the gel-like sensor could accurately measure wrist motion, vocal cord movement associated with speech and the condition of finger joints. A gallium-based liquid metal integrated system that combines soft electronics materials and engineering designs with advanced near-field-communication (NFC) functionality is reported. Electro-mechanical characterization of the device reveals their behaviors under large uniaxial tensile and compressive strains, as well as more complex modes of deformation. Demonstrations of these devices involve their use in monitoring of various human motions in a purely wireless fashion.

Waterproof epidermal microfluidics enable collection and analysis of sweat during aquatic exercise.

Significance Continuous, cuffless, and noninvasive blood pressure monitoring by measuring the pulse wave velocity is generally considered to be a promising technique for noninvasive measurements. Previously reported relations between blood pressure and pulse wave velocity relation involve unrealistic assumptions that do not hold for human arteries, and also rely on empirical expressions without any theoretical basis. Here, an analytical model without such assumptions or empirical expressions is established to yield a relation between blood pressure and pulse wave velocity that has general utility for future work in continuous, cuffless, and noninvasive blood pressure monitoring.

Significance A critical obstacle of flexible electronics for chronic implants is the absence of thin-film barriers to biofluids with multidecade lifetimes. Previously explored materials are unsuitable due to limitations of ( i ) extrinsic factors, such as the practical inability to avoid localized defects, and/or ( ii ) intrinsic properties, such as finite water permeability. The work presented here overcomes these challenges by combining pristine thermal SiO 2 layers with processing steps for their integration onto flexible electronics. Experimental and theoretical studies reveal the key aspects of this material system. Accelerated immersion tests and cyclic bending measurements suggest robust, defect-free operation with various electronic components and an integrated system for multiplexed mapping of electrophysiological signals. The findings have broad relevance to diverse biointegrated electronics and optoelectronics.