中國科學(xué)家首創(chuàng)萬能熱縮電子皮膚，加熱即貼合，怎么扭曲都不壞

給飛機(jī)、機(jī)器人甚至水果“穿”上一層電子皮膚，科學(xué)家做到了。

近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所國瑞研究員、清華大學(xué)深圳國際研究生院汪鴻章助理教授和天津大學(xué)黃顯教授聯(lián)合團(tuán)隊，發(fā)明了一種“熱縮”制造新方法，成功將一種新型的半液態(tài)金屬電路印制在熱塑性薄膜上，加熱后能讓電路緊密包裹到任何形狀的物體表面，并隨熱縮膜同步變形，有效解決了傳統(tǒng)剛性材料在基底變形過程中的電路失效問題。

值得關(guān)注的是，這種形狀自適應(yīng)電子器件具有高耐用性，即使經(jīng)過 5,000 次彎曲和扭曲循環(huán)，導(dǎo)電性變化也極小。

國瑞告訴 DeepTech：“此前的方法需要根據(jù)物體形狀提前對電路進(jìn)行改造和設(shè)計，而我們新方法不僅簡化了制造步驟，還降低了成本，能夠自動貼合各種形狀與表面，如同為物體穿上了一層電子皮膚，并具備良好的適應(yīng)性。”

審稿人對該研究評價稱：“一系列實(shí)際應(yīng)用展示了該方法在應(yīng)用層面的潛力。這項研究為共形電子器件的制造提供了一條替代路徑，對于可穿戴電子設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。”

（來源：Nature Electronics）

相關(guān)論文以《基于熱塑性薄膜上印刷的液態(tài)金屬電路的形狀自適應(yīng)電子器件》（Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films）為題發(fā)表在 Nature Electronics[1]。

從液態(tài)金屬到電子皮膚：一次關(guān)于“包裹萬物”的嘗試

國瑞的主要研究方向是液態(tài)金屬的柔性電子。近年來，隨著智能機(jī)器人、具身智能方向的火熱，一個想法在他腦中縈繞：能不能將柔性電子與人體器官表面信號的監(jiān)測結(jié)合起來？

但要實(shí)現(xiàn)這種結(jié)合有一個必須攻克的難題，無論是機(jī)器人還是生物體都是一個三維曲面，需要將柔性電子制備在人工關(guān)節(jié)、智能頭盔、汽車弧形觸控面板等三維物體的表面，即共形電子。

此前已有相關(guān)研究對該方向進(jìn)行了探索，但一方面，這些共形電子電路對于基底材質(zhì)存在限制，另一方面，一些方法還可能還會對基底造成一定損傷。

研究團(tuán)隊希望開發(fā)出一種更簡單、低成本的方法，能夠突破對基底的限制，并在更多材質(zhì)表面制備柔性電子。

圖丨研究團(tuán)隊主要成員（來源：受訪者）

在研究初期，研究人員試圖用 3D 打印的方式，將液態(tài)金屬打印在三維物體表面。但要實(shí)現(xiàn)精確控制噴頭在三維物體表面的運(yùn)動，需要成本高且操作復(fù)雜的專業(yè)設(shè)備。

一次偶然的機(jī)會，團(tuán)隊成員在生活獲得啟發(fā)：無論瓶身是方形還是圓形，礦泉水瓶上的薄膜都能適應(yīng)地包裹在物體表面。更重要的是，這種材料不僅使用普遍，成本也低。

于是，研究人員馬上聯(lián)想到：是不是可以將液態(tài)金屬的電路先制作在某種薄膜上，然后再將薄膜依靠自身變形，利用熱縮特性機(jī)械包覆在物體表面。如果得以實(shí)現(xiàn)，既可以不受基底材質(zhì)限制，也可以滿足成本較低的要求。

這項研究之所以能實(shí)現(xiàn)“包裹萬物”的三維曲面電子器件，半液態(tài)金屬功不可沒。但這一切并非水到渠成，而是經(jīng)過研究人員的探索后逐漸確立的方案。

此前，研究人員通常采用鎵和銦的合金作為液態(tài)金屬制備電子器件，盡管液態(tài)金屬的導(dǎo)電性和變形拉伸能力高，但研究團(tuán)隊很快就發(fā)現(xiàn)，對于三維物體的電路來說，由于液態(tài)金屬流動性強(qiáng)，容易受到重力影響。

為解決該問題，他們在鎵和銦的合金中摻雜了一些固態(tài)金屬顆粒——微米級銅顆粒。這樣，液態(tài)金屬變成一種介于液體和固體之間、流動性較低的復(fù)合物金屬銅-鎵銦（Cu-EGaIn）。

（來源：Nature Electronics）

然而問題接踵而來，研究人員發(fā)現(xiàn)半液態(tài)金屬會導(dǎo)致不均勻性。為解決該問題，他們采用了類似絲網(wǎng)印刷的方法，先在液態(tài)金屬預(yù)涂一層粘結(jié)底膠，再利用膠水將半液態(tài)金屬盡可能均勻地鋪設(shè)在 PVC 聚氯乙烯熱縮膜的表面。

國瑞解釋道：“它的獨(dú)特之處在于提高了在曲面上的穩(wěn)定性。與純液態(tài)金屬相比，其導(dǎo)電性提高了 30%。銅顆粒會拉住這些液態(tài)金屬，讓它流動性顯著降低。并且，避免了液態(tài)金屬在三維表面時受重力影響出現(xiàn)流動，以及變得不均勻的情況。”

隨后，當(dāng)薄膜被加熱到其玻璃轉(zhuǎn)化溫度區(qū)間（約 57-70.6°C）時，其內(nèi)部因預(yù)拉伸而儲存的內(nèi)應(yīng)力得以釋放，驅(qū)動薄膜均勻收縮，緊密包裹在目標(biāo)物體表面，例如球體、飛機(jī)模型、機(jī)器人手臂和水果表面等。

研究中的另一個重要挑戰(zhàn)是提升半液態(tài)金屬與基底的粘附性。當(dāng)半液態(tài)金屬往熱縮膜上印刷時，研究人員發(fā)現(xiàn)了粘附性較差的問題。在對比了多種具有粘附性的中間媒介進(jìn)行基底粘附性調(diào)控后，他們選用了聚丙烯酸甲酯（PMA）膠水，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低、操作相對容易，并且彈性強(qiáng)，能夠與熱縮膜共同發(fā)生變形。

“它可以直接灌注在比較小的注射針管里，再用 3D 打印機(jī)把它一點(diǎn)點(diǎn)擠出來。當(dāng)它被擠到基底后，由于水分揮發(fā)，膠水可以迅速在基底上固化成膜。”國瑞表示。

最終，經(jīng)過熱風(fēng)槍或熱水浴的短暫加熱，帶著電路的薄膜實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)地貼合在三維物體上，形成共形電子器件。整個過程快速、簡便，成本低，并且無需復(fù)雜昂貴的設(shè)備。

下一步：讓機(jī)器人真正擁有“電子皮膚”

現(xiàn)有的柔性電子制備技術(shù)，例如 3D 打印、激光直寫通常在比較光滑的物體表面，并且激光直寫可能會損傷物體的表面，導(dǎo)致?lián)p傷基底本體、改變基底原有性能。

與這些柔性電子制備技術(shù)相比，新技術(shù)對基底材質(zhì)種類的限制和損傷都相對較小，無論是光滑、粗糙還是濕潤的表面，都無需額外干燥處理即可實(shí)現(xiàn)物理包覆。相比激光直寫，其對基底的熱損傷和表面損傷更小。

研究團(tuán)隊展示了這項技術(shù)在多個領(lǐng)域應(yīng)用的潛力，例如 3D 打印不同材質(zhì)的物體、飛機(jī)或船舶的曲面表面、水果蔬菜等物體的表面，以及機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等。

（來源：Nature Electronics）

據(jù)了解，相關(guān)論文發(fā)表后，已有相關(guān)公司或單位聯(lián)系研究團(tuán)隊，希望將技術(shù)與具體需求結(jié)合。例如，將傳感器包裹在某物體上監(jiān)測特定的信號，或通過核磁共振監(jiān)測中的線圈監(jiān)測信號等。

國瑞認(rèn)為，通過機(jī)器人表面共形電路實(shí)現(xiàn)智能化，是一個相對廣闊的商業(yè)落地轉(zhuǎn)化方向。“我們的技術(shù)對物體形態(tài)沒有特定的限制，能夠?qū)鞲衅髦苽湓诟鞣N型號機(jī)器人的表面，涵蓋工業(yè)機(jī)器人、人形機(jī)器人和四足機(jī)器人等。”

未來，研究團(tuán)隊希望深入研究高密度、高精度的傳感器陣列，并進(jìn)一步探索三維物體上的制造工藝。此外，研究人員還計劃將電路的精度推進(jìn)到微納尺度，以更好地在機(jī)器人觸覺或者植入式電子器件等領(lǐng)域應(yīng)用。

參考資料：

1.Jiang, C., Li, W., Wu, Q. et al. Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films. Nat Electron (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01528-6

運(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成