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 隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能監(jiān)測(cè)需求的增加，可穿戴設(shè)備和機(jī)體植入物將會(huì)獲得更加廣泛的應(yīng)用。而隨著應(yīng)用場景復(fù)雜程度的增加，未來人們對(duì)于可穿戴設(shè)備的要求也越來越高，電子化的織物、軟體機(jī)器人、可拉伸的電子產(chǎn)品等新興技術(shù)領(lǐng)域，將是下一代可穿戴和植入材料和設(shè)備的主要發(fā)展和應(yīng)用方向。與當(dāng)今基于剛性硅材料技術(shù)的電子設(shè)備不同，可承受彎曲、折疊、皺起和拉伸的電子功能材料或電子設(shè)備，能夠適應(yīng)幾乎所有類型的結(jié)構(gòu)形狀，并提供獨(dú)特的功能，這是傳統(tǒng)電子功能材料和技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。近年來，柔性的電子材料和裝置發(fā)展迅速，據(jù)美空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL），AFRL的研究人員最近開發(fā)出了一種全新的液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以使得導(dǎo)體在拉伸狀態(tài)下自主改變結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能保證原有的導(dǎo)電性能不受影響，更好的響應(yīng)外部應(yīng)變。AFRL認(rèn)為，這種可拉伸導(dǎo)體有望在可穿戴設(shè)備中發(fā)揮重要作用。

一、項(xiàng)目研發(fā)背景——傳統(tǒng)導(dǎo)體再拉伸作用后導(dǎo)電性能降低

在常見柔性可穿戴設(shè)備的可拉伸部位中，其中的關(guān)鍵組件就是導(dǎo)體，導(dǎo)體就像一條寬敞的“高速公路”，負(fù)責(zé)快速的傳遞電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的各項(xiàng)功能。目前，為了讓這條“高速公路”的通暢運(yùn)行，已經(jīng)采取了幾種不同的策略進(jìn)行可穿戴設(shè)備的制造，它們通常分為兩大類：一種是改變可穿戴設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采取更具可拉伸性的外部結(jié)構(gòu)，例如采用織物結(jié)構(gòu)或彎曲的基材結(jié)構(gòu)；另一種就是利用可拉伸的導(dǎo)體材料，例如聚合物導(dǎo)體等。

但是，大多數(shù)導(dǎo)體，如常見的銀或銅，都是剛性的，它們?cè)诶鞌嗔阎埃瑪嗔焉扉L率不會(huì)超過2％。而其他可拉伸的導(dǎo)體，例如聚合物復(fù)合材料或?qū)щ娋酆衔铮湓诶斓淖饔孟鹿逃行阅芨淖?mdash;—導(dǎo)體的電導(dǎo)率降低，電阻增加。這是由于，導(dǎo)體受到拉伸作用時(shí)，由于塑性原因?qū)е聦?dǎo)體增長，原本寬敞的“高速公路”由于外部原因變成了“狹長、彎曲的小路”，原本可迅速通過的電流不得不放慢速度，同時(shí)還要通行更長的距離，即造成我們所看到的導(dǎo)電性能降低，電阻增加。一般來說，設(shè)備中出現(xiàn)了這樣的情況，需要采取外部措施進(jìn)行電流補(bǔ)償，例如，測(cè)量設(shè)備發(fā)生應(yīng)變時(shí)內(nèi)部的電阻變化，然后再通過實(shí)時(shí)改變電流的輸入和施加的電壓等方式，適應(yīng)和補(bǔ)償該變化。但這種方式使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，應(yīng)用場景受限，大大降低了可穿戴設(shè)備的應(yīng)用便捷度。

近年來，液態(tài)金屬的發(fā)展為解決導(dǎo)體拉伸后導(dǎo)電性能降低的問題帶來了一種新穎的、有前途的設(shè)計(jì)策略。基于上述原因，2018年，美空軍科研辦公室提供基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)，要求AFRL開展可拉伸液態(tài)金屬導(dǎo)體的研發(fā)工作。

二、AFRL開發(fā)新型液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)

2019年10月3日，AFRL科學(xué)家宣布研發(fā)出了一種被稱為“聚合液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)”（Poly－LMNs）材料，它采用液態(tài)鎵合金外覆氧化物的方式制造而成。Poly－LMNs最大的特點(diǎn)是，隨著導(dǎo)體在承受拉伸后增長，其電導(dǎo)率會(huì)增加。導(dǎo)體在被拉伸至原始長度的700％時(shí)，仍可自主“消化”產(chǎn)生的應(yīng)變，使得拉伸前后的導(dǎo)體測(cè)量電阻幾乎保持不變，保持原本的導(dǎo)電性能。實(shí)現(xiàn)這一功能主要原因是源于材料內(nèi)部自動(dòng)組織性的納米結(jié)構(gòu)，它可自主對(duì)應(yīng)變做出反應(yīng)。

AFRL開發(fā)了聚合液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)，并將其設(shè)計(jì)成為一種高度可拉伸的導(dǎo)體，可隨應(yīng)變變化自主提高電導(dǎo)率（美空軍研究實(shí)驗(yàn)室圖片）

AFRL該項(xiàng)目的首席研究員克里斯托弗·塔博爾博士表示，這種材料制成的導(dǎo)體對(duì)拉伸應(yīng)變的反應(yīng)與人們通常見到的導(dǎo)體特性完全相反。在進(jìn)一步了解其中的主要原因前，研究人員對(duì)液態(tài)金屬系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并觀測(cè)到了與傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體完全相反的響應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料。

除導(dǎo)電性能，AFRL研究人員還用類似可加熱手套形狀的可穿戴設(shè)備評(píng)估了這種材料的熱性能。研究人員通過持續(xù)手指活動(dòng)測(cè)量裝置的熱響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)手套可在施加恒定電壓的情況下保持接近恒定的溫度。這與目前的最新的可拉伸加熱裝置不同——由于應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致電阻變化，現(xiàn)有的加熱裝置仍會(huì)造成大量的熱能損失。有關(guān)液態(tài)金屬系統(tǒng)的更多的性能特點(diǎn)和材料制造細(xì)節(jié)，AFRL的柔性材料與工藝團(tuán)隊(duì)已通過最新一期《先進(jìn)材料》期刊中《機(jī)械響應(yīng)聚合液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)》（Mechanoresponsive Polymerized Liquid Metal Networks）一文進(jìn)行了詳細(xì)論述。

三、Poly－LMNs的制造和實(shí)現(xiàn)原理

使用液態(tài)金屬作為可拉伸導(dǎo)體可以從根本上改變了傳統(tǒng)可拉伸導(dǎo)體電路中最常見的失效現(xiàn)象：在傳統(tǒng)的可拉伸電路中，固態(tài)導(dǎo)體本身往往會(huì)首先發(fā)生機(jī)械斷裂失效，使得整個(gè)系統(tǒng)斷電失效；與之相反，當(dāng)使用液態(tài)金屬代替時(shí)，集成導(dǎo)體的外部基材往往是首先發(fā)生機(jī)械故障的部位，但導(dǎo)體仍能保持正常工作狀態(tài)，整個(gè)系統(tǒng)仍能正常工作。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)工作的克里斯托弗·塔博爾博士表示，Poly－LMNs主要基于以下概念設(shè)計(jì)：以單個(gè)液態(tài)金屬顆粒為基點(diǎn)，通過化學(xué)連接各個(gè)基點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體特性。其制造的過程大致如下：首先將單個(gè)鎵合金液態(tài)金屬顆粒封裝在合金顆粒表面自然形成的氧化包覆殼體中形成單體單元；然后，以單體單元為基點(diǎn)，通過加入化學(xué)配體發(fā)生聚合過程，將每個(gè)單體單元逐個(gè)以化學(xué)鍵的方式連接起來，最終形成包含液態(tài)金屬、氧化物外殼和聚合物連接的金屬聚合物網(wǎng)絡(luò)。

值得注意的是，如果缺少液態(tài)金屬表面包覆的氧化物殼體以及能夠?qū)⒀趸锘瘜W(xué)結(jié)合在一起的配體，液態(tài)金屬顆粒將無法形成網(wǎng)絡(luò)，只會(huì)保持單個(gè)孤立金屬顆粒，也就無法提供導(dǎo)電路徑。

當(dāng)外部施加拉伸應(yīng)力時(shí)，機(jī)械應(yīng)變從外部基材傳遞到整個(gè)Poly－LMNs導(dǎo)體上，相互連接的液態(tài)金屬顆粒承受應(yīng)力被拉伸，導(dǎo)致外部包覆的殼體撕裂，液態(tài)金屬溢出，原本稀疏的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因金屬的溢出變成了更加致密金屬－聚合物導(dǎo)體，使得發(fā)生應(yīng)變部位的電導(dǎo)率迅速提升。經(jīng)過測(cè)試，Poly－LMNs中的顆粒破裂并釋放出液態(tài)金屬后，電導(dǎo)率迅速增加108倍。這種連接形式保證了整個(gè)液態(tài)金屬系統(tǒng)既具有導(dǎo)電性、又能保持固有的可拉伸性。

聚合液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)的形成和工作原理示意，在金屬網(wǎng)絡(luò)形成和工作的不同階段對(duì)液態(tài)金屬顆粒進(jìn)行描述。顆粒為反應(yīng)性核－殼液態(tài)金屬粒子，外部氧化物被含丙烯酸酯的磷酸配體官能化（左1），顆粒通過丙烯酸酯的聚合物相連，形成高度交連的聚合物網(wǎng)絡(luò)（左2）。但拉伸作用時(shí)，氧化物包覆殼體破裂，釋放出液態(tài)金屬，形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（右2），原本松弛狀態(tài)的液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因應(yīng)變施加導(dǎo)致液態(tài)金屬釋放而被被壓縮形成致密結(jié)構(gòu)（右1）。（美空軍研究實(shí)驗(yàn)室圖片，出自本文正文所述論文）

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，Poly－LMNs的電阻從0％～100％應(yīng)變的1萬個(gè)循環(huán)中保持穩(wěn)定。更為重要的是，在10000次循環(huán)后，導(dǎo)體材料并沒有發(fā)生機(jī)械疲勞失效。

四、應(yīng)用前景

液態(tài)金屬在高度可拉伸的電子產(chǎn)品中已具有多年的應(yīng)用背景，例如來自NC State的Michael Dickey教授開發(fā)的嵌入式液態(tài)電線，由卡耐基梅隆大學(xué)的Carmel Majidi教授課題組開發(fā)的液態(tài)金屬嵌入式彈性體復(fù)合材料等。但是，液態(tài)金屬作為流體存在時(shí)，需要利用包覆殼體將其更好的貯存在所需的位置。AFRL的研究人員希望利用液態(tài)鎵合金表面上自然形成氧化物的獨(dú)特機(jī)械性能來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，就像Poly－LMNs一樣。

利用Poly－LMNs，可使導(dǎo)體在不同的機(jī)械條件下仍能保持其電學(xué)性能，這在未來在許多場景中都具有應(yīng)用前景，例如下一代可穿戴電子設(shè)備等——導(dǎo)體材料可以集成到長袖服裝中，飛行員或操作員將不需要佩戴其他厚重的電子設(shè)備，僅僅通過衣服即可傳遞能量，同時(shí)彎曲肘部或旋轉(zhuǎn)肩膀等動(dòng)作也將不會(huì)影響能量傳遞。

AFRL材料與制造研究部化學(xué)家、論文的主要作者卡爾·特拉斯納上尉表示，聚合液態(tài)金屬網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)非常適用于可伸縮的功率傳輸、傳感和電路。通過應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，人機(jī)接口系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行、減輕重量并提供更多能量。

美空軍科學(xué)家開發(fā)的液態(tài)金屬將自主應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的變化，在可穿戴設(shè)備、工業(yè)AR等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景（美國雷神公司圖片）

目前AFRL的研究人員目前正在努力探究封裝Poly－LMNs對(duì)其性能的影響，以及Poly－LMNs與外部集成基材之間的界面特性。塔博爾博士表示：“對(duì)于整個(gè)柔性電子學(xué)的研究領(lǐng)域而言，集成和連接仍然具有挑戰(zhàn)性，將傳統(tǒng)的基于硅的剛性高性能電子設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺芏啻螒?yīng)變循環(huán)的可穿戴紡織品的困難是固有的困難。我們正在探索Poly－LMNs或其他液態(tài)金屬如何能夠連接具有截然不同模量的兩種材料”。

AFRL目前正與私營企業(yè)和大學(xué)合作，探索其進(jìn)一步發(fā)展。企業(yè)的深度參與，有望將相關(guān)技術(shù)優(yōu)化，并將實(shí)驗(yàn)室階段的研究成果規(guī)模擴(kuò)大，探索應(yīng)用。企業(yè)可能將這類材料集成到衣物或紡織品中，以實(shí)現(xiàn)人體機(jī)能監(jiān)測(cè)和人效增強(qiáng)。AFRL的目標(biāo)是在短期內(nèi)將Poly－LMNs在可穿戴電子產(chǎn)品中應(yīng)用。