中國科學家首創萬能熱縮電子皮膚，加熱即貼合，怎么扭曲都不壞

給飛機、機器人甚至水果“穿”上一層電子皮膚，科學家做到了。

近期，中國科學院理化技術研究所國瑞研究員、清華大學深圳國際研究生院汪鴻章助理教授和天津大學黃顯教授聯合團隊，發明了一種“熱縮”制造新方法，成功將一種新型的半液態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，有效解決了傳統剛性材料在基底變形過程中的電路失效問題。

值得關注的是，這種形狀自適應電子器件具有高耐用性，即使經過 5,000 次彎曲和扭曲循環，導電性變化也極小。

國瑞告訴 DeepTech：“此前的方法需要根據物體形狀提前對電路進行改造和設計，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，并具備良好的適應性。”

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

（來源：Nature Electronics）

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

從液態金屬到電子皮膚：一次關于“包裹萬物”的嘗試

國瑞的主要研究方向是液態金屬的柔性電子。近年來，隨著智能機器人、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測結合起來？

但要實現這種結合有一個必須攻克的難題，無論是機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節、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。

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

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

圖丨研究團隊主要成員（來源：受訪者）

在研究初期，研究人員試圖用 3D 打印的方式，將液態金屬打印在三維物體表面。但要實現精確控制噴頭在三維物體表面的運動，需要成本高且操作復雜的專業設備。

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

于是，研究人員馬上聯想到：是不是可以將液態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，利用熱縮特性機械包覆在物體表面。如果得以實現，既可以不受基底材質限制，也可以滿足成本較低的要求。

這項研究之所以能實現“包裹萬物”的三維曲面電子器件，半液態金屬功不可沒。但這一切并非水到渠成，而是經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金屬制備電子器件，盡管液態金屬的導電性和變形拉伸能力高，但研究團隊很快就發現，對于三維物體的電路來說，由于液態金屬流動性強，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金屬顆粒——微米級銅顆粒。這樣，液態金屬變成一種介于液體和固體之間、流動性較低的復合物金屬銅-鎵銦（Cu-EGaIn）。

（來源：Nature Electronics）

然而問題接踵而來，研究人員發現半液態金屬會導致不均勻性。為解決該問題，他們采用了類似絲網印刷的方法，先在液態金屬預涂一層粘結底膠，再利用膠水將半液態金屬盡可能均勻地鋪設在 PVC 聚氯乙烯熱縮膜的表面。

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

隨后，當薄膜被加熱到其玻璃轉化溫度區間（約 57-70.6°C）時，其內部因預拉伸而儲存的內應力得以釋放，驅動薄膜均勻收縮，緊密包裹在目標物體表面，例如球體、飛機模型、機器人手臂和水果表面等。

研究中的另一個重要挑戰是提升半液態金屬與基底的粘附性。當半液態金屬往熱縮膜上印刷時，研究人員發現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行基底粘附性調控后，他們選用了聚丙烯酸甲酯（PMA）膠水，其優點是成本較低、操作相對容易，并且彈性強，能夠與熱縮膜共同發生變形。

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

最終，經過熱風槍或熱水浴的短暫加熱，帶著電路的薄膜實現了自適應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，并且無需復雜昂貴的設備。

下一步：讓機器人真正擁有“電子皮膚”

現有的柔性電子制備技術，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，導致損傷基底本體、改變基底原有性能。

與這些柔性電子制備技術相比，新技術對基底材質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現物理包覆。相比激光直寫，其對基底的熱損傷和表面損傷更小。

研究團隊展示了這項技術在多個領域應用的潛力，例如 3D 打印不同材質的物體、飛機或船舶的曲面表面、水果蔬菜等物體的表面，以及機器人和生物醫學領域等。

（來源：Nature Electronics）

據了解，相關論文發表后，已有相關公司或單位聯系研究團隊，希望將技術與具體需求結合。例如，將傳感器包裹在某物體上監測特定的信號，或通過核磁共振監測中的線圈監測信號等。

國瑞認為，通過機器人表面共形電路實現智能化，是一個相對廣闊的商業落地轉化方向。“我們的技術對物體形態沒有特定的限制，能夠將傳感器制備在各種型號機器人的表面，涵蓋工業機器人、人形機器人和四足機器人等。”

未來，研究團隊希望深入研究高密度、高精度的傳感器陣列，并進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到微納尺度，以更好地在機器人觸覺或者植入式電子器件等領域應用。

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

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成