清華新聞網(wǎng)1月30日電 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。
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。研究團(tuán)隊(duì)以常見(jiàn)熱塑性薄膜為基底，采用半液態(tài)金屬作為導(dǎo)電材料，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的圖案化技術(shù)，并結(jié)合有限元仿真對(duì)電路布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終構(gòu)建出一套低成本、通用性強(qiáng)且制備與安裝極為簡(jiǎn)便的共形電子制造方案。該研究為自適應(yīng)共形電子器件從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用提供了切實(shí)可行的新路徑。
圖1.形狀自適應(yīng)電子器件的概念與設(shè)計(jì)
研究團(tuán)隊(duì)的方案靈感源于常見(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。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)通過(guò)在液態(tài)金屬共晶鎵銦合金（EGaIn）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。配合聚丙烯酸酯（PMA）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（圖1）。針對(duì)電路在收縮安裝時(shí)的變形，研究團(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2.熱收縮方法的通用性驗(yàn)證
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，對(duì)目標(biāo)曲面的材料與狀態(tài)耐受性強(qiáng)，研究團(tuán)隊(duì)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2）。
為展示該技術(shù)的應(yīng)用前景，研究團(tuán)隊(duì)制備多種形狀自適應(yīng)電子器件，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，包括模型飛機(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，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。
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，具有顯著的學(xué)術(shù)價(jià)值與廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(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。
研究成果以“基于熱塑性薄膜印刷液態(tài)金屬電路的自適應(yīng)三維電子器件”（Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films）為題，于1月12日發(fā)表于《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）。
天津大學(xué)2025屆博士畢業(yè)生蔣成杰為論文第一作者，黃顯、汪鴻章、國(guó)瑞為論文共同通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院交叉基金以及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院雙螺旋中心鄭泉水院士團(tuán)隊(duì)的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41928-025-01528-6
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
