天大國(guó)瑞、黃顯，清華汪鴻章?Nature?Electronics：熱縮驅(qū)動(dòng)，形隨物變，液態(tài)金屬三維共形電路創(chuàng)制新方案

在可穿戴設(shè)備、生物傳感器、人機(jī)交互等領(lǐng)域，能夠貼合于三維曲面的共形電子器件一直是研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有制造方法要么機(jī)械穩(wěn)定性不足、材料選擇受限，要么依賴(lài)專(zhuān)用設(shè)備和復(fù)雜流程，難以滿(mǎn)足大規(guī)模應(yīng)用的需求。近日，中科院理化所國(guó)瑞研究員聯(lián)合清華大學(xué)汪鴻章特別研究員和天津大學(xué)黃顯教授，提出了一種通過(guò)自適應(yīng)基底實(shí)現(xiàn)從平面到立體的曲面共形電子器件制備策略。作者以常見(jiàn)的熱塑性薄膜為例，以半液態(tài)金屬為導(dǎo)電材料，通過(guò)開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的半液態(tài)金屬圖案化方法，結(jié)合有限元仿真輔助電路圖案設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)了低成本、適用范圍廣、制備與安裝簡(jiǎn)單快捷的共形電子器件制備方法，相關(guān)研究成果為共形電子的制備與規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用提供了新的思路。相關(guān)研究成果以題為“Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films”發(fā)表在最新一期的《NatureElectronics》上。

合作團(tuán)隊(duì)的方案靈感源自于常見(jiàn)的熱塑性包裝薄膜。熱塑性薄膜（聚氯乙烯 PVC）在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)高溫拉伸后冷卻定型，當(dāng)再次加熱至變形溫度區(qū)間（57.0-70.6℃）時(shí)，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)力會(huì)驅(qū)動(dòng)薄膜收縮，從而緊密貼合目標(biāo)物體表面。在熱塑性薄膜膜上制備出電路通過(guò)加熱即可將所需電路固定在目標(biāo)曲面上（圖1）。為解決電路在收縮過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)通過(guò)在液態(tài)金屬 EGaIn 中混入鍍銀銅顆粒制成半液態(tài)金屬 Cu-EGaIn。與純液態(tài)金屬相比，Cu-EGaIn的導(dǎo)電性更強(qiáng)（達(dá) 9. 5×10? S m?1），且流動(dòng)性大幅降低，既能承受劇烈收縮變形，又能避免流動(dòng)導(dǎo)致的電路失效。配合聚丙烯酸酯（PMA）壓敏膠的選擇性粘附作用，可在熱塑性薄膜上繪制精度為100微米的電路圖案。針對(duì)電路在收縮安裝時(shí)的變形，團(tuán)隊(duì)通過(guò)有限元仿真，建立了熱塑性薄膜變形預(yù)測(cè)模型，能夠根據(jù)目標(biāo)三維曲面的形態(tài)，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)初始平面電路圖案，確保收縮后形成排布合理的功能電路。這種 "預(yù)設(shè)計(jì) - 熱收縮" 的流程，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又保證了器件精度。

圖1. 形狀自適應(yīng)電子器件的概念與設(shè)計(jì)

Cu-EGaIn在熱塑性薄膜表面的圖案化是通過(guò)PMA的選擇性黏附實(shí)現(xiàn)。通過(guò)直寫(xiě)法在熱塑性薄膜表面繪制電路圖案， Cu-EGaIn 通過(guò)氫鍵與 PMA 粘結(jié)，無(wú)論收縮前后，PMA 對(duì)液態(tài)金屬的粘附力均高于熱塑性薄膜，通過(guò)刷涂法即可實(shí)現(xiàn)Cu-EGaIn選擇性沉積與固定。對(duì)比純 EGaIn， Cu-EGaIn 可避免液態(tài)金屬因?yàn)橹亓Φ韧饬α鲃?dòng)團(tuán)聚，可以在曲面保持形態(tài)完整，為電路性能穩(wěn)定提供支撐。在收縮過(guò)程中，Cu-EGaIn導(dǎo)線跟隨基底的收縮而收縮，例如400 μm Cu-EGaIn 導(dǎo)線收縮后縮至 220 μm，橫截面由梯形轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則圓頂形，高度從 30 μm 增至 70 μm，但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且無(wú)缺陷。證明其在收縮過(guò)程中仍可保持穩(wěn)定的電學(xué)連接（圖2）。

圖2. Cu-EGaIn 導(dǎo)線與熱塑性薄膜的粘附性及橫截面輪廓表征

利用粘附力差異制備的Cu-EGaIn導(dǎo)線線寬精度可實(shí)現(xiàn)100 μm，觀察 Cu-EGaIn 導(dǎo)線在熱收縮前后的寬度變化及微觀形貌，顯示線寬窄于 500 μm 的導(dǎo)線收縮后寬度略超理論預(yù)測(cè)，而線寬大于 500 μm 的導(dǎo)線受 EGaIn 聚集影響較小，且所有導(dǎo)線收縮前后電阻均低于 10 Ω；經(jīng) 5000 次彎曲和扭轉(zhuǎn)循環(huán)測(cè)試，收縮前導(dǎo)線電阻變化分別不超過(guò) 4% 和 4%，收縮后分別增至 8% 和 15%，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；對(duì)螺旋電路進(jìn)行按壓、擠壓和拉伸等力學(xué)作用，其電阻雖有暫時(shí)性波動(dòng)，但外力移除后可恢復(fù)初始值，體現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（圖3）。

圖3. 制備精度與導(dǎo)線的電穩(wěn)定性

該方法通過(guò)收縮的方式將電子器件固定在目標(biāo)曲面上，因此對(duì)目標(biāo)曲面的材料與狀態(tài)耐受性強(qiáng)，作者通過(guò)多場(chǎng)景測(cè)試展現(xiàn)了該技術(shù)在目標(biāo)物體尺度、材質(zhì)、表面形態(tài)及粘附難度上的普適性（圖4）。該圖呈現(xiàn)了不同尺寸（玻璃珠、乒乓球、網(wǎng)球、籃球）、不同材質(zhì)（塑料飛機(jī)、玻璃杯、柚子、鐵模型）以及復(fù)雜曲面的 3D 模型上，LED 陣列均能通過(guò)熱收縮實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 共形 封裝。針對(duì)草皮、石膏、濕木、聚四氟乙烯等難粘附表面，借助熱塑性薄膜與目標(biāo)表面的物理聯(lián)鎖和摩擦力，其剝離強(qiáng)度達(dá) 30 N，遠(yuǎn)超商用 VHB 膠帶，且未對(duì)基材造成損傷；通過(guò)對(duì)球體不同位置導(dǎo)線的測(cè)試，顯示即使收縮程度存在差異，電阻變化最大僅約 3 Ω，而將器件應(yīng)用于多種不同物體后，各導(dǎo)線電阻增量均控制在 0.5 Ω 以?xún)?nèi)。

圖4. 熱收縮方法的通用性驗(yàn)證

為展示該技術(shù)的應(yīng)用前景，作者制備多種形狀自適應(yīng)電子器件進(jìn)行演示，通過(guò)一系列場(chǎng)景化案例展現(xiàn)了該技術(shù)在航空航天、智能傳感、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值（圖5）。包括模型飛機(jī)機(jī)翼表面的共形除冰系統(tǒng)，其電熱絲可在 10 秒內(nèi)將翼面溫度從 27℃提升至 35℃，同時(shí)集成的 LED 陣列可實(shí)現(xiàn)夜間飛行導(dǎo)航；在船舶表面制備的共形太陽(yáng)能陣列，能最大化利用曲面面積實(shí)現(xiàn)能量收集；針對(duì)水果運(yùn)輸儲(chǔ)存需求，開(kāi)發(fā)的溫濕度傳感電路可貼合香蕉、西瓜等農(nóng)產(chǎn)品表面，連續(xù) 12 小時(shí)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)；在醫(yī)療健康領(lǐng)域，可穿戴脈搏波傳感器憑借小巧舒適的設(shè)計(jì)可精準(zhǔn)采集生理信號(hào)，而智能繃帶通過(guò)分布的壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)包扎壓力，當(dāng)壓力接近損傷閾值時(shí)，警示燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮警示，該繃帶可適配頸部、手腕、腳踝等不同部位，通過(guò)多傳感器布局實(shí)現(xiàn)全方位壓力監(jiān)測(cè)；這些應(yīng)用案例充分驗(yàn)證了形狀自適應(yīng)電子器件在不同場(chǎng)景下的穩(wěn)定性與適配性，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)提供了新方案。

圖5.多種形狀自適應(yīng)電子器件的應(yīng)用演示

該技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行無(wú)損升級(jí)，為其附加更多功能。作者以人機(jī)界面與智能手套為例進(jìn)行了展示（圖6）。作者在機(jī)器人頭部和機(jī)械臂表面通過(guò)熱收縮方法集成的共形觸覺(jué)傳感器陣列與 LED陣列，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的觸摸檢測(cè)與反饋功能；基于該技術(shù)開(kāi)發(fā)的智能手套集成了5 個(gè)壓力傳感器和3 個(gè)溫敏電阻，可在抓取黃瓜、塑料球、金屬圓柱等8 種不同物體時(shí)同步采集壓力與溫度數(shù)據(jù)；利用這些數(shù)據(jù)對(duì)10種機(jī)器學(xué)習(xí)算法（包括CNN、隨機(jī)森林、SVM等）進(jìn)行訓(xùn)練與測(cè)試，其中 CNN算法的物體識(shí)別準(zhǔn)確率最高達(dá)97%；為實(shí)現(xiàn)高效分類(lèi)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于一維CNN的多模態(tài)檢測(cè)模型，通過(guò)對(duì)溫度和壓力數(shù)據(jù)分別進(jìn)行卷積、特征提取與融合，有效提升了識(shí)別可靠性；t-SNE可視化結(jié)果顯示，原始數(shù)據(jù)在高維空間中難以區(qū)分，經(jīng)深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練后不同物體的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)線性分離，五折交叉驗(yàn)證結(jié)果表明8類(lèi)物體的識(shí)別準(zhǔn)確率介于90%-100% 之間，充分證明了多傳感融合策略在物體識(shí)別中的優(yōu)勢(shì)，也為傳統(tǒng)設(shè)備的智能化升級(jí)提供了低成本、易實(shí)現(xiàn)的解決方案。

圖6. 面向人機(jī)界面的形狀自適應(yīng)電子器件應(yīng)用演示

總 結(jié)

該策略無(wú)需復(fù)雜工藝即可實(shí)現(xiàn)平面電路到三維曲面的高效轉(zhuǎn)化，器件兼具高耐用性與廣泛適配性，且制造成本低廉、操作簡(jiǎn)便。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將通過(guò)優(yōu)化印刷工藝提升電路精度，開(kāi)發(fā)更大面積的均勻加熱設(shè)備以適配大型目標(biāo)，進(jìn)一步拓展技術(shù)的應(yīng)用邊界。這項(xiàng)技術(shù)不僅為可穿戴電子、智能傳感等領(lǐng)域提供了新的制造范式，更有望推動(dòng) "萬(wàn)物互聯(lián)" 時(shí)代下，普通物體向智能設(shè)備的低成本轉(zhuǎn)型，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值與產(chǎn)業(yè)前景。論文第一作者為天津大學(xué)博士蔣成杰，共同通訊作者為中科院理化所研究員國(guó)瑞、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院特別研究員汪鴻章、天津大學(xué)教授黃顯。該論文受期刊邀請(qǐng)撰寫(xiě)了Research Briefing文章。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01528-6