浙江大學徐凱臣課題組《自然·通訊》：激光編程實現紡織電子器件剛度與界面可控集成

隨著可穿戴電子技術的快速發展，透氣、舒適的紡織基底因其與皮膚的貼合性而備受關注。然而，剛性電子元件（如芯片）與彈性紡織物之間存在顯著的模量失配，導致器件在拉伸時易發生界面剝離、導線斷裂或層間短路，這嚴重阻礙了高性能、可拉伸紡織混合電子系統的發展。

近日，浙江大學徐凱臣研究員課題組提出了一種創新的解決方案——激光編程紡織混合電子器件（LPTHE）。該方法通過紫外激光與浸潤在紡織品中的光固化聚合物發生選擇性、可調控的相互作用，從而在紡織品上定制出具有梯度剛度和特定界面親和性的區域。經激光預處理的區域模量提升最高可達14.9倍，同時保持了織物的透氣性和生物安全性。這種激光編程紡織基底能夠為剛性芯片提供應變隔離，保護液態金屬導線在拉伸時不斷裂，并防止多層電路間的短路。研究團隊成功演示了一個5×5的LED陣列顯示屏，在形變下可穩定顯示不同圖案；并開發出一款無線的可拉伸貼片，能夠在運動中持續監測心電圖、溫度、濕度和加速度四項健康參數。相關論文以“Laser-programmed stiffness and interfaces for textile hybrid electronics”為題，發表在

Nature Communications

研究團隊首先聚焦于激光編程紡織基底的設計與制備。他們選擇緯編氨綸織物作為基底，利用毛細作用使光固化聚合物前驅體滲入織物。通過選擇性液體保留技術，控制聚合物的量，使得處理后的織物在保持多孔透氣結構的同時，力學性能得到顯著增強。激光作為光源與織物相互作用時，會在粗糙紗線表面形成激光散斑，但模擬與實驗證實，其能量集中區域足以滿足電子元件集成所需的編程精度。通過調控激光掃描速度，可以在織物上實現從柔軟到剛硬的梯度聚合，從而編程出定制化的剛性區域，其最小特征尺寸建議為750微米。這些處理后的織物不僅模量和韌性大幅提升，而且經過清洗后表現出優異的生物相容性（細胞活性>95%）和與原始織物相近的透氣性。

圖1 | 激光編程紡織混合電子器件的設計與原理。 a 基于彈性和非彈性紡織基底的紡織電子器件對比。彈性紡織電子器件具有優異的機械順應性、皮膚貼合性和可靠的皮膚信號采集能力。相比之下，非彈性紡織電子器件在適應皮膚動態變化方面存在固有局限，阻礙了其貼合性與信號保真度。LM，液態金屬。部分元素在BioRender中創建。b 示意圖展示了編程紡織基底用于可拉伸混合電子器件的若干優勢。具有空間編程剛度與界面親和力的紡織品在拉伸過程中能與混合電子組件可靠連接。c 激光編程紡織品用于可拉伸混合電子器件的工作原理。激光能量密度調控滲入紡織品的光固化聚合物的聚合反應，產生用于形成氫鍵的化學基團，并實現剛度可編程。插圖中的曲線展示了剛度與激光能量密度之間的關系。PP，光固化聚合物；VIB，垂直互連塊。

圖2 | 激光編程的PP浸潤紡織品。 a PP浸潤紡織品與原始紡織品的質量增量對比。b 含有不同PP量的紡織品的照片和SEM圖像。左下角圖像為偽彩色顯示，紗線間的PP被染成藍色。c 含有不同PP量的紡織品的強度-應變曲線。強度指單位寬度所受的力。d 含有不同PP量的紡織品的力學參數。T，韌性；Y，楊氏模量。e 示意圖展示激光散斑在紡織品上的形成。f, g FDTD模擬高斯光束入射到平面和紡織紗線時的電場強度。h 平面和紗線沿水平方向的平均坡印廷通量。i 不同入射功率下紡織品上激光散斑的照片。j 展示激光可形成的最小聚合物區域的照片。虛線指示激光預處理的邊界。k 應變為20%時具有各種圖案的LPT照片。l, m 不同激光掃描速度編程的PP浸潤紡織品的代表性強度-應變曲線和楊氏模量。星號表示用于制造LPT和LPTHE的選定激光參數。n 不同激光掃描速度編程的PP浸潤紡織品的細胞毒性?！辞逑础瘶颖驹诩す馑俣?00 mm s?1下處理。o 不同激光掃描速度編程的PP浸潤紡織品的透氣性和水蒸氣透過率。AP，透氣性；WVTR，水蒸氣透過率。

為實現可拉伸且穩定的電路，研究引入了液態金屬基復合材料作為導線材料。激光編程產生的軟質聚合物區域（通過高速掃描獲得）不僅能平滑纖維表面，其表面形成的羥基和氨基還可與液態金屬表面的氧化物形成氫鍵，極大地增強了導線與紡織基底之間的界面粘附力。實驗表明，在PP浸潤的紡織基底上，液態金屬導線經歷1000次30%應變拉伸循環后，依然保持完整連接，電阻變化極小。此外，研究還發現，使用較厚的模板印刷出的較厚液態金屬導線具有更好的抗拉伸斷裂能力，50微米厚的掩模是較優選擇。對于必需的雙層電路，研究通過在正反面導線重疊區域編程出完全聚合的剛性垂直互連塊，有效抵抗壓縮應變，防止了液態金屬穿透多孔織物導致的層間短路，其抗短路壓力遠超手指按壓的典型壓力。

圖3 | LPT上的可拉伸及雙層導線。 a 示意圖顯示PP浸潤紡織品表面穩定了導線界面，而原始紡織品在導線界面處易發生脫粘。紅色半圓指示拉伸前紡織紗線的位置。b 部分聚合的塊體PP的FTIR光譜，插圖中突出顯示了PP和原始紡織品的羥基和胺基伸縮振動區域。c 不同紡織基底上的LM導線在循環拉伸前后的照片。d 循環拉伸期間原始和PP浸潤紡織品上LM導線電阻變化的對比。e 示意圖展示懸浮LM導線的厚度對其抗斷裂能力的影響。f, g 使用不同模板掩模在紡織品上制備的拉伸LM導線的照片及其電阻變化。h PP浸潤紡織品上一條LM導線在1000次拉伸循環中的電阻變化。i 示意圖顯示由編程剛度誘導的VIB防止了紡織品兩側LM導線之間的短路。相比之下，軟紡織品在壓縮應變下會產生垂直間隙，導致層間短路。j 不同激光速度編程的PP浸潤紡織品壓縮位移的對比。k 不同激光速度產生的VIB直至短路發生時所測得的壓縮應力。標記指示短路是否發生。l 剛性VIB在循環按壓過程中的壓縮應力，期間未發生短路。

為解決剛性芯片與軟質紡織電路間的根本矛盾，研究在芯片貼裝區域下方編程了梯度剛度區域。有限元分析和實驗均證實，這一剛性“島嶼”能有效隔離施加在紡織基底上的拉伸應變，使芯片下方的電路幾乎不發生形變，從而確保芯片引腳與液態金屬導線之間連接的可靠性。測試表明，集成了0603封裝電阻的LPTHE組件在1000次拉伸循環中電阻變化小于50毫歐，即使在80%的高應變下仍能保持電氣連通。

圖4 | 具有梯度剛度與應變隔離的可拉伸LPTHE。 a 示意圖顯示梯度剛度（藍色區域）誘導的應變隔離保護芯片免受開路和短路影響。對于沒有應變隔離的紡織品，導線易從芯片引腳脫離，且導線的橫向膨脹縮小了相鄰引腳間的間距。b FEA結果展示梯度剛度對帶有SOT-23-5封裝印跡的紡織品應變分布的影響。c, d SOT-23-5芯片和LM導線在無梯度和有梯度剛度的紡織品上的照片。e, f 一個LPTHE電阻在循環拉伸下的電阻變化及其放大視圖。g LPTHE電阻在應變逐步增加直至失效過程中的電阻變化。h 一個包含25個LED芯片、20個VIA和16個VIB的LPTHE屏幕的照片。i FEA結果展示LPTHE屏幕基底的應變分布。j LPTHE屏幕在拉伸或彎曲時顯示五種不同圖案的照片。

為展示該技術的系統集成能力，研究團隊制造了一個5×5 LED陣列的紡織顯示屏。該屏幕集成了25個LED芯片、20個垂直互連通孔和16個垂直互連塊，所有剛性與軟質區域僅通過單面激光掃描即可同步編程完成。在彎曲和拉伸狀態下，屏幕仍能穩定顯示不同圖案。更進一步，一款用于健康監測的無線的LPTHE貼片被開發出來。該貼片集成了心電、加速度、溫濕度傳感器，整體采用透氣設計，背面覆蓋了疏汗的電紡纖維膜。在志愿者運動測試中，相較于不透氣的商用柔性電路板貼片，LPTHE貼片下的皮膚保持干燥，且能持續穩定地采集高質量的生理信號，展現了其在動態、真實場景下舒適、可靠的監測能力。

圖5 | 用于持續多參數健康監測的LPTHE貼片。 a LPTHE貼片的分解視圖。b LPTHE貼片的功能框圖。c LPTHE貼片的照片，插圖為對應的FPCB版本。d LPTHE貼片貼合在直徑27毫米圓柱體表面的照片。e LPTHE貼片的前側、未封裝的后側及封裝后側的照片。f LPTHE貼片貼于志愿者左胸部的照片。g 分別佩戴LPTHE貼片和FPCB貼片運動后人體皮膚的照片。h, i LPTHE貼片在-40%應變和扭轉下的照片。j 在循環扭轉過程中使用LPTHE貼片測量的多路信號。k 志愿者運動期間佩戴LPTHE貼片進行實時監測的示意圖。l, m LPTHE貼片與FPCB貼片在心電信號和溫濕度信號測量方面的對比。

這項研究通過激光編程紡織基底，巧妙地解決了彈性紡織品與剛性混合電子組件之間的機械失配難題，為構建一體化、可拉伸、透氣舒適的高性能紡織電子系統提供了一種通用且高效的策略。未來，通過開發具有更高剛度或更好拉伸回復性的聚合物材料，以及將LPTHE直接集成到全身衣物中，有望進一步推動可穿戴電子在動態高強度應用中的長期穿戴性與可靠性。