在2D半导体研究热潮的当下，香港大学WISE团队（Wearable, Intelligent, Soft Electronics）率先解决了半导体领域百年难题，以突破性的3D半导体技术脱颖而出（Science 390, 824, 2025）。该研究面向生物电子领域，旨在解决2D电子与3D生物系统之间的多维度不匹配问题。

该研究登上2025年11月20日刊Science杂志封面

团队负责人张世明教授早在2020年首次提出了水凝胶半导体技术（Adv. Mater, 1904752, 2020），成功解决了硬半导体与软生物系统之间模量不匹配的难题，开创了全新的研究领域。

其核心创新在于将水溶性半导体聚合物和具有机械强度的水凝胶相结合，构建双网络水凝胶。通过利用混合导电生物晶体管（OECT）作为表征手段，他首次通过实验在水凝胶材料中观测到半导体现象。随后，该方向迅速发展，基于其他材料体系的水凝胶半导体被陆续报道，逐渐形成了一个新的交叉研究领域。

然而，和其他类型半导体技术一样，水凝胶半导体研究仅限于传统的“纳米至微米级”的材料厚度。厚度的增加会阻碍离子注入和离子-电子耦合效率，导致半导体调制特性（即开关能力）的下降甚至消失。因此，尽管克服了模量问题，现有技术均未能真正实现水凝胶的3D特性，限制了其在生物电子领域的深度应用。

此次，香港大学WISE团队通过历时五年的实验探索，成功实现了“毫米级“厚度水凝胶半导体的体调制，同时保持了与微纳薄膜器件相当的半导体性能。这一调制厚度的突破，是自1925年晶体管发明一百年以来，首次将半导体的体调制现象从微观世界带到了宏观世界。

亦正式宣告水凝胶半导体技术从“2D薄膜态”升级到了“3D凝胶态”，彻底解决了现有平面半导体器件与立体生物系统之间的“维度“不匹配问题。 基于3D水凝胶半导体，团队构建了首个3D凝胶晶体管，展示了凝胶半导体在神经形态计算方便的潜力。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx4514

DOI: 10.1126/science.adx4514

这项研究的重大突破以封面形式刊登于Science。三位审稿人高度评价这一成果：“该工作创新性极高，重新定义了下一代半导体器件的发展方向，为类脑计算开辟了全新领域。

3D水凝胶半导体的问世不仅是半导体技术的一次飞跃，也将是人类探索未来活体生物电子，脑机接口以及AI医疗等领域发展道路上的重要里程碑。

张教授已在探索该技术的潜在应用，从无缝的穿戴式装置到令人振奋的新发展，如生物人工智慧与生物计算。同时他也呼吁审慎：以CRISPR为例，他强调必须深思未来应用的社会责任、伦理问题，规范技术使用，确保造福人群。

从左到右：白靖博士，田新宇博士，张世明教授，刘丁侥博士，王妍博士生

张世明，香港大学电机电子工程系助理教授，香港大学智能可穿戴生物电子实验室（WISE Research Group）首席研究员。 在国际上首次提出了“水凝胶半导体”和“3D半导体”的概念。开发了第一例3D水凝胶晶体管。目前担任IEEE Electron Devices Society生物医学器件委员会委员，《Advanced Electronic Materials》国际顾问委员会委员（International Advisory Board Member）。长期担任国际电气与电子工程师协会（IEEE）以及美国材料研究学会（MRS）可穿戴生物电子与凝胶电子专题研讨会组织者。

刘丁侥，香港大学电机电子工程系博士，主要研究方向为有机生物电子学、可穿戴传感交互界面。目前研究聚焦于高性能柔性电子器件的制备及其在智能健康监测与边缘计算中的应用。曾于西安交通大学获得应用化学学士学位，并于四川大学获得高分子科学与工程硕士学位。

白靖，香港大学电机电子工程系博士，研究领域涵盖柔性电子制造、可穿戴生物传感与边缘计算系统。博士期间主要从事基于全打印技术的柔性电子制造方法研究，并探索高密度柔性阵列在生物感知与智能信息处理中的应用。此前于西安交通大学分别获得软件工程学士学位与工商管理学士学位，期间参与多项喷墨打印控制系统、微控制器及人机交互相关产业项目。

田新宇，香港大学电机电子工程系博士，研究方向包括可边缘计算系统与可穿戴生物电子学。博士期间主要致力于微型化智能感知与数据处理平台的开发，推动可穿戴电子系统的集成化与小型化。此前于天津大学获得控制与测量技术及仪器学士学位，并在加州大学圣地亚哥分校获得材料科学与工程硕士学位。

王妍，香港大学电机电子工程系博士生，主要研究方向为有机生物电子学、软体电子-生物信号交互系统。当前研究重点包括高性能柔性有机电子器件及其在智能可穿戴系统与类脑计算中的应用。曾于南开大学获得化学学士学位。

来源|ScienceAAAS