文章核心观点 - 香港大学与剑桥大学团队成功研制出世界首款三维水凝胶半导体晶体管，其调制厚度达到毫米级别，具备生物组织级别的柔软度和生物相容性[2][3] - 该技术打破了二维电子器件和三维生命系统之间的鸿沟，为脑机接口、生物混合传感和神经形态计算等先进生物电子系统铺平道路[3] - 研究通过相工程和结构工程创新，实现了毫米尺度上对软物质的电子、离子和机械性能的同步控制[15][16][26] 技术突破与创新 - 研究团队创新性地设计了双网络水凝胶系统，通过构建多孔的次级水凝胶作为3D模板，引导初级氧化还原活性导电水凝胶的3D组装[13] - 相工程确保形成连续的PEDOT+相，导电率从0.9 S/cm提升至100 S/cm，提高超过两个数量级[15] - 结构工程通过溶剂交换等方法精确控制水凝胶孔隙率，使其可在5%-90%的宽范围内调控[16] - 研究发现存在最佳孔隙率范围，对应最高开关比（10^4），与最先进的有机电化学晶体管性能相当[18] 性能表现 - 在1毫米厚度下，水凝胶晶体管的开关比达到约10^4，比参考有机电化学晶体管高出三个数量级[20] - 水凝胶半导体的体积电容与厚度保持线性关系直至毫米级别，而传统薄膜在厚度超过约10微米时无法维持这种线性关系[20] - 水凝胶半导体的关键性能参数dμC*达到0.1 F·V⁻¹·s⁻¹，显著高于传统2D架构的有机电化学晶体管[21] - 即使在任意方向施加高达30%的应变情况下，系统仍能保持高预测精度[24] 应用演示与前景 - 研究团队将3D水凝胶半导体制成自支撑纤维，构建出类脑3D神经形态电路，用于数据计算和分析[23] - 在手写数字识别任务中，基于3D水凝胶晶体管阵列的储层计算系统实现了高达91.93%的识别准确率，与传统人工神经网络相媲美[23] - 该技术有望催生新一代生物集成电子设备，例如高兼容性脑机接口、智能植入式医疗设备等[26] - 水凝胶半导体支持双向生物-晶体管相互作用，包括细胞培养、类器官形成和可编程细胞行为[26]