柔性和可拉伸性是不同的概念,目前电子皮肤已经能很好实现柔性,但可拉伸性还需要进一步提升,可通过材料、结构设计还优化。
柔性可拉伸材料种类在不断被开发出来,比如导电银浆、液态金属、水凝胶、PDMS/TPU 薄膜等等。而结构上,可以通过特定设计,让电子皮肤中的脆性材料也能吸收施加的应变而不会断裂。
1、波形结构
类似于皮肤或织物上常见的褶皱、脊或折痕,这类自然现象启发了基于无机材料的可拉伸电子产品的第一类结构设计。
其基本思路是:先将平面的基底材料施加预应力进行预拉伸,然后在拉伸状态下修饰所需的活性材料;待释放预应力后,上层的导电或活性材料层便会自然形成波浪或褶皱状的结构。
这样的结构在发生形变时,能够有效释放部分应力,从而提高器件的可拉伸性。

2、岛-桥结构
岛-桥结构是柔性电子设备中最常见的一种设计。它主要由两部分组成:负责导电连接的线路(称为“桥”)和固定在特定位置的功能性元器件(称为“岛”)。
设计这类结构的关键在于“桥”的形态设计,而“岛”的结构只需尽量配合桥的走向和整体布局即可。
常见的岛-桥结构包括以下几种形式:蜿蜒蛇形结构、自相似结构、二维螺旋结构、三维拱桥结构以及三维弹簧结构等。其中,蛇形结构因为形状简单、加工方便,被广泛应用于各种可拉伸电子设备中。

3、折纸/剪纸结构
折纸技术最早源于古老的手工艺,比如用纸张折成千纸鹤、纸飞机等。在柔性电子中,折纸结构通过预先设计的折叠线条,能有效缓解器件在折叠、弯曲、拉伸等过程中产生的应力,这和之前提到的波浪/皱纹结构有异曲同工之妙。

剪纸结构则是与折纸类似的一种手工艺,比如传统的窗花等装饰品就是用剪纸技术制作的。
设计剪纸结构的主要思路是:在一块完整的平面材料上,按一定规律刻出镂空图案。这样一来,当基材发生形变时,镂空区域就能充分释放应力,从而使整体具备更强的可拉伸变形能力。

4、织物结构
按照直径尺度,织物可以划分为纤丝、纤维、纱线、织布以及最终的织物产品。大多数织物由高分子材料制成,本身就有优异的力学性能,只需搭配适当的导电材料或其他功能性材料,就能构建出性能良好的柔性电子产品。

织物结构最大的特点是,可以利用宏观的纤维状器件进行编织和组装,在实现功能的同时还能保证外观的美感。
不过,它也存在一个主要缺点:设计自由度有限,因为纤维或纱线的路径通常只能沿着织物的经纬方向排列。
为了解决这个问题,一种常见的方法是通过喷墨打印、丝网印刷或化学沉积等方式,将功能材料涂覆在纺织品表面。由于这些功能材料不受织物本身结构的限制,因此可以实现完全自由的布局设计。
来源:马超, 赵刚. 《电子皮肤研究进展:材料、功能与应用》,节选
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