在可穿戴設(shè)備的曲面屏幕、醫(yī)療器械的復(fù)雜表面、家用電器的不規(guī)則外殼，乃至飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)器人關(guān)節(jié)與建筑結(jié)構(gòu)表皮等各類(lèi)三維曲面上，制造高性能柔性電路一直面臨諸多挑戰(zhàn)，例如共形貼合困難、精度控制復(fù)雜、材料適配性差、長(zhǎng)期可靠性不足，并且常伴隨電路易斷裂、信號(hào)不穩(wěn)定、制造良率偏低、規(guī)?；a(chǎn)困難等一系列問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院助理教授汪鴻章與天津大學(xué)教授黃顯、副研究員國(guó)瑞合作提出一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，將看似科幻的場(chǎng)景變成“現(xiàn)實(shí)”——只需像使用“熱縮保鮮膜”一樣，用熱風(fēng)輕吹，復(fù)雜精密的電子電路便可嚴(yán)絲合縫地貼附于任意形狀的物體表面。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—電子學(xué)》。
這種基于自適應(yīng)基底的新型共形電子器件制備策略，可實(shí)現(xiàn)平面電路向三維曲面的高效、精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，為自適應(yīng)共形電子器件從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)?；瘧?yīng)用提供了切實(shí)可行的新路徑。
熱塑性薄膜在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)高溫拉伸后冷卻定型，當(dāng)再次加熱至57.0-70.6℃的變形溫度區(qū)間時(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。
研究人員以此為靈感，在熱塑性薄膜上制備出電路，通過(guò)加熱即可將所需電路固定在目標(biāo)曲面上。為解決電路在收縮過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)在液態(tài)金屬共晶鎵銦合金中混入鍍銀銅顆粒制成半液態(tài)金屬，使其導(dǎo)電性更強(qiáng)、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。結(jié)合聚丙烯酸酯壓敏膠的選擇性粘附作用，其可在熱塑性薄膜上繪制精度為100微米的電路圖案。
此外，研究團(tuán)隊(duì)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。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制備出了多種形狀自適應(yīng)電子器件，在模型飛機(jī)機(jī)翼表面的共形除冰系統(tǒng)、船舶表面制備的共形太陽(yáng)能陣列、水果運(yùn)輸儲(chǔ)存需要的溫濕度傳感電路，以及可穿戴脈搏波傳感器等一系列場(chǎng)景展開(kāi)應(yīng)用，充分驗(yàn)證了該器件在不同場(chǎng)景下的穩(wěn)定性與適配性，在航空航天、智能傳感、醫(yī)療健康等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
研究人員介紹，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，所制備的器件兼具高耐用性與廣泛適配性，且制造成本低、操作流程簡(jiǎn)便。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，更可能在“萬(wàn)物互聯(lián)”背景下推動(dòng)普通物體向智能設(shè)備的低成本轉(zhuǎn)型。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化印刷工藝以提升電路精度，并開(kāi)發(fā)適用于大型結(jié)構(gòu)件的均勻加熱設(shè)備，從而拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01528-6
編輯：李華山
