当今市场上每款可穿戴设备都面临同样的结构性问题：生物组织会弯曲，而电路不会。智能手表仍是一个紧贴皮肤的刚性盒子；绑在胸部的心脏监测器仍然是一块随时可能破裂的硅晶片。这种物理上的不匹配限制了人工智能计算与活体组织的紧密协作——直到芝加哥大学的研究人员决定重新思考晶体管本身的设计。
2026年5月20日发表在《自然电子学》杂志上的一篇论文中，由芝加哥大学普利策克分子工程学院副教授王思宏和阿贡国家实验室计算机科学家夏芳芳领导的研究团队报告了一种可工作的大型可拉伸神经形态计算贴片，它能够在人体上直接运行人工智能算法，耗时仅几毫秒，且无需无线连接外部服务器。近日，主要科学媒体同时报道了该研究团队于2026年3月发表在《极端制造国际期刊》上的配套综述论文，该论文详细阐述了该设备背后完整的技术路线图。
这两篇论文共同标志着一个特定的转变：从可拉伸AI硬件的理论演示，转变为已制造并经过测试的电路，该电路在拉伸至静止长度150%的情况下，仍能以99.6%的准确率完成临床级心脏任务。
为什么智能手表无法做到这一点
这项研究的核心速度问题并非抽象概念。心室颤动——一种可在几分钟内致命的心脏电风暴——通过心肌组织传播的波前速度如此之快，以至于确定其位置并将数据传输到外部计算机再传回的过程耗时过长，无法为实时治疗提供信息。研究人员提出，不使用粗暴的全心除颤电击，而是通过精确靶向脉冲在前进波前前方进行干预——但这种方法只有在体内毫秒级分析的情况下才有效。
王思宏向芝加哥大学新闻办公室表示："在这种情况下，远程计算是不可行的。这需要太长时间。但如果你有一个能在体内进行分析的计算设备，那就可能实现。"
同样的延迟问题适用于任何关乎生死的心脏事件。目前的可穿戴设备——包括最强大的临床级智能手表——都会收集数据并将其传输到外部服务器进行分析，然后才返回结果。对于心率趋势来说，这种往返过程是可接受的；但对于心室颤动映射来说，则完全不可接受。
可拉伸神经形态电子技术：有机电化学晶体管的工作原理
该设备由有机电化学晶体管(OECTs)构建，这类元件的行为与标准计算机芯片中的硅晶体管有着根本性的不同。在硅晶体管中，电流由施加到刚性半导体晶体上的电场调制。而在有机电化学晶体管中，电流由通过软凝胶状电解质层的离子运动调制——这一机制称为有机混合离子-电子传导。
这种离子和电子的双重传输使有机电化学晶体管同时具有柔性和神经形态特性。当电压脉冲施加到晶体管的栅极时，电解质中的离子渗透到聚合物通道中，改变其掺杂状态并调整其电导率。这些电导率变化在脉冲结束后仍然存在：晶体管保留了对所见电压的记忆，编码在其通道内的离子分布中。因此，单个软晶体管同时充当处理单元和存储单元——这正是生物突触的架构，其中连接强度编码在结点本身的物理状态中。
这种非冯·诺依曼设计消除了限制传统计算的"内存墙"：在标准芯片中，数据必须在独立的处理器和内存单元之间反复传输，每次传输都会消耗能量和时间。在OECT贴片中，每个晶体管都持有自己的突触权重并在本地执行计算。结果是《自然电子学》论文中展示的10毫秒推理时间——足以用于心脏波前跟踪。
为什么硅晶体管在活动组织上从未奏效
在可穿戴设备环境中，有机电化学晶体管相对于硅晶体管的绝对优势在于它们对物理变形的耐受性。硅晶体管依赖于精确的晶体几何结构；弯曲它们会同时破坏基板和连接组件的金属迹线。电阻开关设备——另一种神经形态方法——通过形成和破坏纳米级导电细丝工作；机械应变在有限的拉伸循环后会破坏这些细丝。
有机电化学晶体管不依赖于任何纳米级几何结构。它们的运行——体积离子渗透到块状聚合物通道中——本质上能够耐受跳动心脏或弯曲关节的连续机械变形。2026年3月的综述论文明确证实了这一区别：OECTs对变形的耐受性"主要源于其操作机制"，而电阻开关设备"在有限循环后经常失效"。
《自然电子学》论文之前的问题不是单个OECTs是否能够拉伸——几个研究小组已经证明了这一点——而是它们能否被扩展成足够密集的阵列，在佩戴在身上的设备上运行有用的神经网络。
体内边缘计算：解决扩展问题的制造突破
答案需要解决多年来阻碍该领域的制造问题。凝胶电解质——有机电化学晶体管的关键成分——表现得像液体。在紧密排列的阵列中，相邻晶体管的凝胶层相互融合，导致短路并使阵列无法工作。标准半导体光刻技术，即使用紫外线在基板上精确绘制组件图案的技术，无法应用于流动的材料。
王思宏团队通过设计一种在暴露于紫外线时会变硬的新型聚合物凝胶解决了这个问题。通过配制一种对紫外线有反应的电解质——硬化成精确图案而不失去其离子特性——团队将标准光刻技术应用于此前一直抗拒这种技术的材料类别。结果是密度高达每平方厘米10,000个有机电化学晶体管的阵列，使用半导体行业已有的设备制造。
王思宏表示："我们必须问的问题是，我们能否使用或改变这些聚合物的特性，使它们与光刻技术兼容——微电子行业使用的主要图案化方法。"
论文共同第一作者、研究生赵子轩描述了硬件所需的观念转变："作为计算机科学家，我们习惯于将神经网络权重视为只是一个数字。在硬件中，它是一种材料——具有可变性、历史和物理限制。挑战在于记住这些约束条件，同时仍能以足够的精度进行计算。"
制造的阵列随后使用来自匿名捐赠人类心脏的真实数据针对两个独立的心脏任务进行了测试。在第一项任务中，该贴片在拉伸至60%应变的情况下，以99.6%的准确率定位心室颤动波前位置——在100次重复拉伸至100%应变的循环中，性能退化可以忽略不计。在第二项任务中，阵列中编码的神经网络根据包括胆固醇、血糖和心电图测量在内的九个健康输入估计心脏病发作风险，达到83.5%的准确率。每次推理在10毫秒内完成。
可拉伸神经形态电子技术目前仍无法做到的事情
两篇论文都坦率地指出了当前演示与可部署临床设备之间的差距。记忆保持是最紧迫的限制：大多数基于OECT的存储设备表现出强烈的短期可塑性——它们在任务持续时间内很好地保持其电导状态——但在更长的时间尺度上会退化。综述论文将此描述为主要的剩余瓶颈，并确定了一种部分工程解决方案：岛桥架构，其中稳定的存储元件放置在免受机械应变影响的微小刚性岛上，而可拉伸的线圈导体连接这些岛屿。这种混合方法在保留宏观灵活性的同时保持了存储的耐久性，但增加了制造复杂性。
将阵列扩展到实验室演示之外是第二个挑战。《自然电子学》论文中的10,000晶体管阵列表现出良好的性能均匀性——这一点很重要，因为大型神经形态阵列中的变异性会通过整个神经网络计算传播错误。组装比当前实验室演示大一个数量级的阵列，以满足复杂假肢或全身生物电子皮肤应用的需求，同时保持同等的均匀性，尚未得到证明。
长期生物相容性是第三个未解问题。当前实验测量了数小时和数百次拉伸循环的性能。验证临床植入物所需的多年时间尺度——包括组织反应、离子浸出和材料降解——仍是未来的工作。王思宏实验室目前正在努力将计算阵列与可拉伸无线通信组件和改进的传感器配对，朝着能够感知、分析和作为集成整体做出响应的系统迈进。两篇论文都将当前工作描述为硬件演示阶段，而非成品医疗设备。任何可植入的临床应用都需要研究性设备豁免和完整的FDA监督临床试验——这一监管途径还有数年时间。
无需云服务的可穿戴AI：消除服务器的重要性
心脏应用是体内计算最明确的案例，但该架构的影响超出了任何单一用途。阿贡国家实验室共同领导这项工作的计算机科学家夏芳芳表示："我们不再需要将数据发送到远程服务器，而是可以开始在生命发生的地方理解它。"这种从依赖云服务的可穿戴计算向设备上神经形态处理的转变，消除了任何时间关键应用的延迟障碍——心室颤动映射、癫痫预测、实时假肢肢体控制——同时消除了传统可穿戴设备中产生隐私和安全漏洞的数据传输通道。
2026年3月综述中阐述的更大图景是四个先前孤立学科的融合：聚合物化学、纳米复合材料工程、有机电化学和脉冲神经网络架构。这种融合现在不仅产生路线图，还产生工作硬件，而阻止规模扩大的特定工程障碍——无法使用行业标准光刻技术绘制凝胶电解质——已有特定的解决方案。
接下来更多的是一个集成问题而非材料问题：传感器、电源、无线通信以及身体对编织在其内部的软计算层的长期生物反应。
通向脑机接口的更安全路径？
该技术提出的最尖锐问题是，它最终是否可能降低脑机接口的医疗风险——像Neuralink的植入物这样的设备需要通过手术将电极插入脑组织以记录单个神经元。
当今穿透式BCI植入物的问题是机械性的，而非电学性的。硅和铱电极的刚度——杨氏模量——约为150至180吉帕斯卡。脑组织大约为1至30千帕斯卡。植入物与其所在组织之间的差异达到五到六个数量级。当大脑移动时——在正常的头部运动、呼吸甚至心跳期间——刚性电极不会随之移动。由此产生的微动导致两种不同的故障级联：插入时刻对血管的急性创伤，以及慢性胶质增生，其中免疫细胞（反应性星形胶质细胞和小胶质细胞）在数周至数月内围绕电极形成高阻抗疤痕。这种疤痕逐渐将设备与需要接触的神经元隔离开来。Neuralink自己的工程文档承认，身体倾向于用疤痕组织包裹外来材料，这是"一个特别的挑战"，可能"降低植入物检测和解码神经信号的能力"。独立研究人员更为直接：正如对该技术的一项分析所说，"胶质增生实际上随着时间的推移使电极绝缘，降低了信号质量"——这一过程"本身就可以在数月到数年内使电极变得无用"。
有机电化学晶体管不会穿透脑组织。它们层压在皮层表面——这种方法称为皮层脑电图(ECoG)——记录表面下方神经元群体的聚合电活动，而非单个细胞。这本质上侵入性更小：无需针头插入，不会破坏血脑屏障，没有直接将颅骨运动传递给组织的锚定牵引力。圣艾蒂安国立高等矿业学校George Malliaras及其同事在2013年《自然通讯》杂志上的一项研究表明，放置在大鼠皮层表面的基于OECT的ECoG阵列在检测癫痫样活动方面达到了与铱穿透电极相匹配的信噪比——而无需破坏大脑表面。后续工作，包括2023年《先进科学》杂志报道的具有1.42毫秒时间分辨率和高达37分贝信噪比的100通道可生物降解OECT阵列的研究，已将记录扩展到临床应用所需的要求。2026年3月的《先进电子材料》论文(Barbosa等人)现在专门研究OECT用于长期可植入生物传感的异物反应——这表明轨迹正指向永久性皮层设备。
诚实地说明很重要：ECoG并不是在所有应用中都能完全替代深度穿透式植入物。Neuralink的既定目标——从深度运动皮层和皮层下结构获得单神经元分辨率，以恢复瘫痪患者的自愿运动——需要只有物理上靠近单个神经元的电极才能提供的空间分辨率。对于这种应用，穿透式植入物仍然是当前唯一的途径，而胶质增生问题正是Neuralink等公司通过线程几何形状和表面化学积极努力减少的问题，而不是完全放弃穿透方法。
但很大一类临床应用不需要单神经元深度访问。癫痫发作检测和定位、闭环神经调节、用于手术规划的皮层运动映射，以及由广泛的运动皮层活动模式驱动的假肢肢体控制——所有这些都已通过ECoG在临床上有用的分辨率下得到证明。芝加哥大学论文中的密度里程碑在这里至关重要：每平方厘米10,000个晶体管，可拉伸OECT阵列可以以接近大脑皮层自身柱状组织的空间分辨率采样皮层表面，大大缩小了历史上使穿透式植入物成为精细空间解码必要条件的差距。这种密度，加上《自然电子学》论文中展示的设备上神经形态推理，是否足以满足特定临床应用，这是一个需要通过临床试验来回答的问题——但工程差距比这一制造突破之前要小得多。
芝加哥大学出版物和更广泛文献中表达的长期愿景是一种顺应计算层，它以与组织本身一致的顺应性附着在神经或心脏组织上——在信号起源处处理信号，而不具备历史上使长寿神经植入物如此难以构建的机械冲突。
常见问题解答
有机电化学晶体管是什么，为什么它们对可穿戴设备很重要？
有机电化学晶体管是柔软的碳基组件，它们通过凝胶状层中离子的运动而非刚性半导体晶体来控制电流。由于其运行依赖于体积离子传输而非纳米级几何结构，它们能够耐受人体组织的弯曲和拉伸而不破裂或失去功能——这一特性使它们特别适合可穿戴和可植入计算。
可穿戴AI健康监测如何在不将数据发送到手机或服务器的情况下工作？
在芝加哥大学的设计中，计算贴片直接在适应皮肤的贴片上数千个有机晶体管的电导状态中编码训练好的神经网络。当生理信号到达时，硬件在约10毫秒内计算分类结果——例如识别心脏波前位置——使用其晶体管的离子状态而不是任何外部处理器。推理步骤不需要无线传输。
在可拉伸神经形态设备达到临床使用之前，还有哪些工程障碍？
主要未解决的挑战是长期时间尺度上的记忆保持、大于当前实验室演示的阵列中的性能均匀性，以及在活组织中多年的生物相容性验证。岛桥架构部分解决了记忆保持问题，但扩展均匀性和生物耐久性需要进一步研究，才能使任何临床应用通过FDA的研究性设备豁免和临床试验途径。
什么是生物电子皮肤，它能实现什么？
生物电子皮肤指的是适应身体表面的集成传感、记忆和计算材料的可拉伸片材。目标不是在柔性背衬上安装单独的刚性传感器和处理器，而是打印单个弹性层，其中材料本身执行所有三个功能。应用将包括连续生理监测、解释触摸和运动的智能假肢，以及比任何服务器连接设备更快响应生物信号的可植入AI系统。
可拉伸有机晶体管能否取代Neuralink等脑植入物？
并非适用于所有应用——但对于一大类临床用途，它们代表了一个明显更安全的替代方案。当前的穿透式BCI植入物会导致胶质增生，免疫细胞在数月到数年内在刚性电极周围形成绝缘疤痕，逐渐降低信号质量。有机电化学晶体管不会穿透脑组织；它们从皮层表面记录。这种方法无法访问Neuralink针对瘫痪治疗目标的深层脑结构或单神经元分辨率，因此不是通用替代品。但对于癫痫监测、运动皮层映射和由表面信号驱动的假肢控制，表面OECT阵列已在动物研究中匹配穿透式电极的性能——并且每平方厘米10,000个晶体管的密度现在高到足以仅从表面接近皮层柱空间分辨率。
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