问题—— 在智能制造、智能穿戴与机器人感知等快速发展背景下,电路与传感器从“平面硬板”走向“柔软可贴”的趋势明显。
然而,在人工关节、头盔外壳、汽车弧形面板、机械手指等复杂曲面上集成精密电路,长期面临多重瓶颈:一是难以实现无褶皱、无空隙的共形贴合;二是曲面变形过程导致线路拉伸、应力集中,易出现断裂与信号波动;三是不同材质表面适配性不足,影响粘附与长期可靠性;四是工艺窗口窄、重复性与良率受限,制约规模化应用。
曲面电子的“贴得住、贴得准、用得久”,成为柔性电子走向工程化的关键关口。
原因—— 上述难题的根源在于材料与工艺的矛盾:传统金属导体延展性有限,在弯折与收缩中容易出现微裂纹;而不少柔性基底在变形时难以保持线路几何精度,导致图案失真与性能下降。
同时,曲面器件往往需要在复杂表面“现场成形”,对制造精度、热处理条件以及界面相容性提出更高要求。
如何在低温、可控的变形条件下,让电路在形变后仍保持连续导电与稳定信号,是技术突破的核心所在。
影响—— 面向这一痛点,天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室黄显、国瑞团队与清华大学深圳国际研究生院汪鸿章团队合作,提出基于热塑性薄膜与半液态金属电路的热缩制备策略:先在平面薄膜上通过自主打印形成电路,再借助薄膜受热收缩特性,使电路按照预先设计的形变路径贴合到目标曲面。
该策略将“平面制造的精度优势”与“热缩成形的贴合能力”结合起来,使电路能够在较温和的条件下完成从二维到三维的快速转移与紧密包覆。
研究显示,在约70摄氏度温水或热风处理后,电路可适应不同曲率与形状的表面,实现稳定贴合与功能保持。
这一思路的意义在于:其一,为复杂曲面器件提供了更通用的制造路线,有望降低异形载体电路集成门槛;其二,半液态金属材料兼具导电与一定流动性,能够在收缩过程中缓释应力、降低开裂风险,为可靠性提升提供支撑;其三,可将压力、温度等多类型传感单元更紧密地与结构件融合,推动“结构—电子—感知”一体化设计。
对策—— 从产业化视角看,这类技术要从实验室走向应用,还需围绕标准化与可靠性体系持续攻关:一是建立不同曲率、不同材质表面的工艺参数库,明确收缩倍率、温度窗口与图案补偿规则,提升批次一致性;二是针对长期服役环境开展验证,包括耐疲劳弯折、汗液或油污环境、摩擦冲击、温湿循环等测试,形成可量化的寿命评估方法;三是推进与封装、黏附、接口连接等环节的协同设计,解决“贴合之后如何稳定供电与通讯”的系统问题;四是完善安全与可追溯要求,特别是在医疗植入与人体穿戴场景下,需严格评估材料生物相容性、热处理过程安全边界及使用风险。
前景—— 随着具身智能与人机交互加速落地,触觉、温度、压力等多模态感知将成为机器人从“能动”走向“会感知、会操作”的基础能力。
研究团队已在机器人手臂与头部实现贴合式触觉传感器阵列定制,并开发集成压力与温度传感器的智能手套,使机器人能够通过接触获得更多物体信息,实现“摸一摸”识别与更精细的抓取控制。
可以预见,若该类共形电路技术在制造一致性与可靠性上进一步成熟,将在医疗康复器械、智能防护装备、车载曲面交互、航空航天结构健康监测等领域打开更广阔空间,并推动柔性电子从“可弯曲”迈向“可贴合、可规模化”的新阶段。
从实验室的液态金属到工厂的智能产线,这项“从0到1”的原创技术印证了我国在柔性电子领域的创新实力。
当冰冷的电路学会像生命体般自适应环境,不仅重构了人机交互的边界,更预示着材料科学正从“功能实现”迈向“智能协同”的新纪元。
在全球柔性电子产业竞争白热化的今天,中国科研团队用一项项扎实的突破证明:核心技术攻坚战,永远要靠自主创新的“硬功夫”。