液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)跨尺度制備技術(shù)和應(yīng)用研究進(jìn)展

摘"要"填充式液態(tài)金屬電路是解決傳統(tǒng)液態(tài)金屬電路高電阻、低導(dǎo)熱和可靠性不足問(wèn)題的關(guān)鍵，其中填充式液態(tài)金屬電路的關(guān)鍵在于基體中微流道的構(gòu)建和液態(tài)金屬?gòu)?fù)合物的組分控制. 本文總結(jié)了液態(tài)金屬的物化性質(zhì)、填充式液態(tài)金屬電路的制備方式以及可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互和軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，重點(diǎn)介紹了微流管注入法、基體中微流管構(gòu)建技術(shù)、可穿戴設(shè)備的應(yīng)用，探討液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的制備方式，揭示其在應(yīng)用中存在的局限性，并提出相應(yīng)的優(yōu)化方向，為柔性電子器件向高功率、高可靠性及集成度方向發(fā)展提供技術(shù)參考.

關(guān)鍵詞"柔性電子;鎵基液態(tài)金屬;微流管注入法;穿戴電子

中圖分類(lèi)號(hào)"TN605""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼"A

0"引"言

隨著材料、信息科學(xué)的發(fā)展，柔性電子器件逐步走進(jìn)大眾的視野. 柔性電子器件是以柔性材料為基底的新型電子器件，具備柔軟、可拉伸、共形性等特性，在健康檢測(cè)、可穿戴設(shè)備、仿生機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景. 柔性電子器件的主要部件為柔性襯底材料、電子元器件和柔性導(dǎo)線(xiàn). 柔性導(dǎo)線(xiàn)在柔性電子器件中起著連接各個(gè)電子元器件的功能，是整個(gè)柔性電子器件中關(guān)鍵的部件. 傳統(tǒng)的有色金屬導(dǎo)體設(shè)計(jì)成“之”字形[1]、3D結(jié)構(gòu)[2]等彎曲結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)可拉伸功能，但復(fù)雜應(yīng)變條件下存在接觸不良、斷裂、貼附表面層離等缺點(diǎn)，無(wú)法用于透明電極、跨尺度復(fù)雜應(yīng)變條件和生物醫(yī)學(xué)等柔性電子領(lǐng)域. 在目前的研究中，柔性導(dǎo)線(xiàn)的結(jié)構(gòu)主要包括柔性襯底和導(dǎo)體2個(gè)部分，柔性襯底材料主要為有機(jī)高分子和金屬氧化物材料，柔性導(dǎo)體主要為碳、金屬、合金等納米尺度導(dǎo)電體等. 其中以鎵基合金為代表的常溫液態(tài)金屬具備高導(dǎo)電性、流動(dòng)性、加工溫度適宜和制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠與襯底柔性材料性能相匹配，保證柔性導(dǎo)線(xiàn)在跨尺度，多維度的復(fù)雜應(yīng)變條件下依然具備高導(dǎo)電性，成為未來(lái)解決功率電路、傳感器領(lǐng)域熱管理、多模態(tài)耦合等問(wèn)題的重要材料之一.

液態(tài)金屬電路即液態(tài)金屬導(dǎo)體材料與柔性基底材料相結(jié)合并能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)電功能，劉靜團(tuán)隊(duì)將液態(tài)金屬注入到水溶膠中，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電體和彈性體結(jié)合[3]. 近年來(lái)隨著復(fù)合凝膠材料技術(shù)和噴印技術(shù)的發(fā)展，面向高粘度、高表面能液態(tài)金屬材料的電路制備技術(shù)得到了國(guó)內(nèi)外各大科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注，以傳統(tǒng)印刷工藝為基礎(chǔ)，相繼出現(xiàn)了直寫(xiě)法[4]、噴墨法、噴涂法和絲網(wǎng)印刷等制備方式，在柔性電子、生物醫(yī)學(xué)、射頻識(shí)別等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成功應(yīng)用于液態(tài)金屬導(dǎo)線(xiàn)[5]、液態(tài)金屬油墨[6]和液態(tài)金屬基紙電子[7]等. 高表面能液態(tài)金屬浸潤(rùn)性差的問(wèn)題尚未解決，印刷制備方式存在分辨率較低、均勻性較差和制備工藝復(fù)雜等問(wèn)題，制約著液態(tài)金屬印刷制備方式的發(fā)展. 目前新型液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的研制以及3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在基體中構(gòu)建微米級(jí)甚至更高精度空腔，填充式液態(tài)金屬電路的制備技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效、高分辨率、大規(guī)模的定制化制備及滿(mǎn)足柔性電子器件不同性能需求，在柔性電子領(lǐng)域逐漸成為了各大科研組織的焦點(diǎn).

液態(tài)金屬具有作為柔性導(dǎo)體材料的優(yōu)異性能，如何制備填充式液態(tài)金屬電路及其在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用成為了科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的問(wèn)題. 本文分析了液態(tài)金屬的物化性質(zhì)，并以此為基礎(chǔ)討論了填充式液態(tài)金屬電路的制備及優(yōu)勢(shì)，并綜述了液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)在柔性電子領(lǐng)域中的應(yīng)用，最后對(duì)填充式制備方式和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.

1"液態(tài)金屬的基本性質(zhì)

1.1"定義

液態(tài)金屬通常是指熔點(diǎn)低于200 ℃的低熔點(diǎn)合金[8]. 液態(tài)金屬的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于水、空氣、冷卻油等冷卻劑，并且還具備流動(dòng)性、不易蒸發(fā)、物化性質(zhì)穩(wěn)定等特性，在散熱領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 隨著柔性電子學(xué)的迅速發(fā)展，液態(tài)金屬憑借其金屬般的高導(dǎo)電性及液體般的流動(dòng)性等性質(zhì)，逐漸成為科研機(jī)構(gòu)的研究焦點(diǎn)，并迅速應(yīng)用于柔性電子器件的研發(fā)領(lǐng)域. 目前，工業(yè)上常用的液態(tài)金屬合金為鎵基、鈉基等合金以及汞、銫等天然金屬，其中鎵基液態(tài)金屬具有良好的生物兼容性，在生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，因此本文中所提到的液態(tài)金屬主要為常溫液態(tài)鎵基合金.

1.2"物理性質(zhì)

液態(tài)金屬對(duì)流系數(shù)遠(yuǎn)高于水，實(shí)驗(yàn)證明在0.1 m/s的速度下，液態(tài)金屬的對(duì)流換熱系數(shù)（可以達(dá)到10 kW/（m2·K））[9]大約是相同條件下水的3倍，常用于散熱行業(yè). 水和常見(jiàn)的液態(tài)金屬的主要物理性質(zhì)如表1所示[10-13]，鎵基液態(tài)金屬具備高沸點(diǎn)、低熔點(diǎn)和無(wú)毒特性，是一種安全合金. 此外鎵基合金具有相對(duì)低的動(dòng)態(tài)粘度（2.22 mPa·s），其是水的動(dòng)態(tài)粘度（1.003 mPa·s）的2.2倍，鎵基合金可以在室溫下像液體一樣流動(dòng)，具有優(yōu)異的流動(dòng)性[11]. 但是液態(tài)金屬的表面張力（0.5-0.7 N/m）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水（0.072 N/m）的表面張力，與基底材料之間存在浸潤(rùn)性差的問(wèn)題. 液體金屬還具有金屬般高導(dǎo)電性能，液態(tài)金屬的電導(dǎo)率（3-6×106 S/m）遠(yuǎn)大于碳基、硅基等非金屬導(dǎo)電材料[14]，確保柔性導(dǎo)線(xiàn)的電學(xué)特性.

1.3"化學(xué)性質(zhì)

純液態(tài)金屬一般呈現(xiàn)原始的光滑表面，但是液態(tài)金屬在空氣中易被氧化，氧化表面自發(fā)形成固體氧化物膜，并改變其表面性能. 在室溫環(huán)境下，鎵基合金總是呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)[15]，如圖1a所示，外殼的兩性氧化膜保護(hù)液態(tài)金屬核芯，阻止內(nèi)部進(jìn)一步氧化（類(lèi)似于鋁）. Dickey[16]研究鎵基液態(tài)金屬注入微流控通道形成穩(wěn)定的液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的流變行為，發(fā)現(xiàn)鎵基液態(tài)金屬的行為是取決于表面的氧化鎵薄膜. 先前研究表明，液態(tài)金屬的兩性氧化膜能夠被酸性或堿性溶液消除，可以利用鹽酸溶液去除粘附在PMA膠上的EGaIn[17]，如圖1b所示.

2"填充式液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的制備方法

液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的制備方法可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是將液態(tài)金屬嵌入基體的填充式制備方式，包括微流管注入法[18]和液態(tài)金屬微粒嵌入基體兩種形式，另一類(lèi)是將液態(tài)金屬涂覆在基底表面形成表面電路的印刷式制備方式，主要類(lèi)型為直寫(xiě)式、噴墨式、噴涂式、氣相沉積和絲網(wǎng)印刷等.

2.1"微流管注入法

微流管注入法是將液態(tài)金屬嵌入基體，即用注射器將液態(tài)金屬注入聚合物基體內(nèi)填充空腔以形成通路，是跨尺度填充式液態(tài)金屬電路制備最常用的方法，相比較于噴涂[19]和絲網(wǎng)印刷[20]的優(yōu)勢(shì)在于能夠應(yīng)用于三維結(jié)構(gòu)，并且不需要機(jī)械燒結(jié)[21]或者化學(xué)燒結(jié)[22]等后處理步驟. 微流管注入法主要分為兩個(gè)步驟，首先制備填充液態(tài)金屬的空腔，其次將液態(tài)金屬填充空腔形成通路，超拉伸熱致變色和機(jī)械致變色纖維的制備方式[23]就是采用了微流管注入法，如圖2a所示. 中科院寧波材料研究所劉宜偉團(tuán)隊(duì)制備液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)就是采用注射方式將水浴加熱制備的鎵銦錫合金填充預(yù)先準(zhǔn)備的空腔管道形成通路[24]. 值得注意的是由于兩性氧化物的粘附，從微通道中去除液態(tài)金屬是十分困難的，可以對(duì)液態(tài)金屬施加還原電位，減少液態(tài)金屬的表面氧化物來(lái)減少毛細(xì)管作用（再毛細(xì)管作用）[25]，如圖2b所示.

填充式液態(tài)金屬電路是將液態(tài)金屬導(dǎo)體完全包裹或者封裝，避免存在液態(tài)金屬泄露的問(wèn)題，需要多個(gè)制備步驟[26]. 微流管注入法也可以同時(shí)完成制備聚合物空腔和液態(tài)金屬填充空腔[27]，僅需一個(gè)步驟完成液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的制備和填充. 北京航空航天大學(xué)胡靚團(tuán)隊(duì)提出的鎵基金屬電誘導(dǎo)成絲3D打印技術(shù)[28]是利用3D打印技術(shù)將液態(tài)金屬擠壓成線(xiàn)狀，如圖2c所示. 可以明顯地看出，彈簧針與穩(wěn)壓電源正極相連，明膠水凝膠與負(fù)極相連，通過(guò)氧化和電化學(xué)作用降低液態(tài)金屬表面張力，然后注射泵將液態(tài)金屬擠入明膠水凝膠中，利用液態(tài)金屬核殼機(jī)構(gòu)的氧化層制備了Ga2O2包裹的鎵銦錫金屬導(dǎo)線(xiàn)，如圖2d所示.

一般情況下，基于MEMS刻蝕工藝的微流道加工技術(shù)，一定程度上削弱了基體的機(jī)械性能，限制了液態(tài)金屬導(dǎo)線(xiàn)的高效制備. 3D打印作為一種數(shù)字化快速制造的技術(shù)[29]，為填充式液態(tài)金屬電路的微流道制備提供了一條新的途徑. 微納3D打印技術(shù)可以使用基底材料直接打印出柔性傳感器并構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)空腔，能夠制備微米級(jí)甚至更高精度空腔. 常州大學(xué)羅鯤團(tuán)隊(duì)利用熔融沉積3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于柔性壓敏材料的3D打印柔性傳感器成型[30]，鎵銦錫封裝到傳感器空腔形成通路，如圖3a所示. 該柔性傳感器主要分為壓敏傳感器、液態(tài)金屬微流道層和絕緣保護(hù)層3部分，采用雙噴頭打印機(jī)將壓敏材料和TPU耗材打印制備柔性壓力傳感器，膠封液態(tài)金屬微流道口，實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的封裝，制造流程如圖3b所示，其中的微流道尺寸為0.5 mm×0.5 mm. 3D打印技術(shù)在柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用，促使了微流管和柔性傳感器件的尺寸也朝著微型化發(fā)展.

3D打印技術(shù)在柔性傳感器制備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中光固化打印技術(shù)（DLP、SLA）能夠提供高分辨率的流體通道，熔融沉積成型（FDM）和多射流噴射成型（MJP）技術(shù)則擅長(zhǎng)構(gòu)建多材料微流體芯片，然而這些3D打印技術(shù)都面臨通道堵塞和結(jié)構(gòu)塌陷等問(wèn)題. 為此廈門(mén)大學(xué)孫道恒團(tuán)隊(duì)提出了一種納米纖維自支撐增材制造（NSCAM）制造策略，通過(guò)交替使用靜電紡絲和電流體動(dòng)力射流（E-jet）直接制造納米纖維自支撐3D微流體通道[31]，可以實(shí)現(xiàn)～120 μm和～45 μm的橫、縱向打印分辨率，如圖3c所示. 3D打印技術(shù)相比于印刷式的氣相沉積[32]的制造成本高、沉積速率慢和制造工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的快速、低成本、定制化和大規(guī)模生產(chǎn)柔性傳感器.

2.2"液態(tài)金屬微粒填充基體

液態(tài)金屬種類(lèi)及其理化性能十分有限，不能滿(mǎn)足磁性、高電阻值等獨(dú)特需求，因此需要在液態(tài)金屬中摻雜其他材料來(lái)改變其理化性能. 導(dǎo)熱性液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料[33]是在液態(tài)金屬中添加其他金屬材料或二氧化硅制備的，能夠改變液態(tài)金屬的電導(dǎo)率，從而增大液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的電阻[34]和發(fā)熱功率. 可變剛性彈性體泡沫[35]是具有磁響應(yīng)性質(zhì)的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合物制備的，添加鐵磁性的鐵或鎳金屬等特定金屬的液態(tài)金屬具備磁性響應(yīng)性能和壓電效應(yīng)[36].

液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料制備液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)包括3D打印、模壓成型等方式. 3D打印就是將液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料按照預(yù)設(shè)的模型逐層打印，并根據(jù)需要進(jìn)行加熱、壓延等后處理步驟來(lái)提高導(dǎo)電和柔韌性能. 模壓成型就是迫使液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)入模具中，成型后保持其形狀的工藝，三維超材料注塑成型[37]就利用了模壓成型方式. 橫濱國(guó)立大學(xué)太田裕貴團(tuán)隊(duì)利用模壓成型制備方式將一種LM聚合物復(fù)合材料制備了自組裝雙層布線(xiàn)[38]，底部的導(dǎo)電LMGC層和頂部的絕緣離子層能同時(shí)完成布線(xiàn)和封裝，結(jié)構(gòu)如圖4a所示. 離子凝膠-LM雙層結(jié)構(gòu)是PVDF-HFP聚合物、離子液體、LM和甲乙酮溶液混合物澆鑄在基底PDMS模具上并從模具中去除復(fù)合凝膠制備的，在制備過(guò)程中會(huì)自發(fā)形成頂部的離子凝膠富集層和底部的LM富集層自組裝，如圖4b所示. 離子凝膠-LM雙層布線(xiàn)可以用作布線(xiàn)，如圖4c所示，銅線(xiàn)連接的離子凝膠富集層不導(dǎo)電，能夠執(zhí)行絕緣功能，LM富集層導(dǎo)電，能夠承擔(dān)導(dǎo)電功能，最小線(xiàn)寬可以達(dá)到404 μm. 液態(tài)金屬的高表面能導(dǎo)致噴墨打印技術(shù)[39]分辨率低，限制了微型化液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)、微流體設(shè)備等領(lǐng)域的應(yīng)用.

3"液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)在柔性電子中的應(yīng)用

近年來(lái)，液態(tài)金屬因其良好的導(dǎo)電性、柔韌性、低毒性和優(yōu)異共形性備受關(guān)注，液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)已在可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.

3.1"可穿戴設(shè)備

柔性傳感器因其舒適性、共形性、柔韌性等特性，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力. 液態(tài)金屬是一種本征具備無(wú)限制延展性的金屬流體，在穿戴設(shè)備中可以極大提高佩戴者的舒適性. 柔性傳感器在人體健康檢測(cè)領(lǐng)域中可以承擔(dān)信號(hào)采集電極、設(shè)備連接柔性導(dǎo)體和無(wú)源能量收集等功能[40].

3.1.1"信號(hào)采集電極

柔性傳感器用于人體健康檢測(cè)的目標(biāo)之一是要最大程度提高佩戴者的舒適性，在智能可穿戴設(shè)備中，液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)作為信號(hào)采集電極得到了廣泛的應(yīng)用，例如水印電子皮膚[41]、可拉伸電生理傳感貼片[42]和應(yīng)變傳感器[43]等. 意大利米蘭理工大學(xué)Fabio Lazzari團(tuán)隊(duì)研制了一款檢測(cè)胸部運(yùn)動(dòng)的緩和傳感器[44]，具體結(jié)構(gòu)如圖5a所示，傳感器的襯底材料為PDMS，使用注射器將液態(tài)金屬填充微流道形成通路. 通過(guò)將傳感器貼在胸部，采集不同呼吸模式下的電壓變化，測(cè)試傳感器的呼吸監(jiān)測(cè)能力，佩戴位置如圖5b所示. 傳感器采集信號(hào)與光電系統(tǒng)信號(hào)之間存在一定的差異，但是總體圖案相似，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)胸部的擴(kuò)張和收縮運(yùn)動(dòng)，感知出不同的呼吸模式，如圖5c所示.

3.1.2"設(shè)備連接柔性導(dǎo)體

柔性導(dǎo)體是可穿戴設(shè)備中連接有源電極和電子設(shè)備不可或缺的組件，使用過(guò)程中會(huì)受到反復(fù)彎折甚至導(dǎo)致斷裂，為了保證柔性導(dǎo)線(xiàn)在跨尺度，多維度的復(fù)雜應(yīng)變條件下依然具備高導(dǎo)電性，制備了具有生物相容性的電子皮膚[45]、具有自愈能力的3D微流體可拉伸導(dǎo)線(xiàn)（SHS）[46]和可以誘導(dǎo)反應(yīng)進(jìn)行自修復(fù)的愈合材料[47]等. 液態(tài)金屬具有本征自修復(fù)能力，如果基體也具有自修復(fù)性能，就可以改善柔性導(dǎo)線(xiàn)的電學(xué)和力學(xué)性能. 南京大學(xué)陸延清團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于液態(tài)金屬的電學(xué)自愈合導(dǎo)體[48]，能夠讓液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)在跨尺度、多維度的復(fù)雜應(yīng)變下像人體皮膚一樣自愈，破損情況下能迅速自愈并保持高導(dǎo)電性能，基本結(jié)構(gòu)包括了彈性體、液態(tài)金屬微膠囊及其頂部的銅層3部分，如圖5d所示. 頂部的銅層受到任何損傷時(shí)，微膠囊會(huì)直接破碎釋放液態(tài)金屬修復(fù)受損部位實(shí)現(xiàn)自愈合并恢復(fù)導(dǎo)電性能，并且在承受1 200%的超高拉伸應(yīng)變的嚴(yán)重?cái)嗔亚闆r下，也能保持著強(qiáng)大的電氣性能. 該導(dǎo)體已經(jīng)成功在LED矩陣和多功能電子貼片中證明了強(qiáng)大的適用性，如圖5e所示. 此外新加坡國(guó)立大學(xué)林水德團(tuán)隊(duì)所提出的雙層液態(tài)金屬基導(dǎo)體（b-LSC），能夠在特定的基底上展現(xiàn)出可愈合性，可以應(yīng)用于連接多層伸展布局[49].

3.1.3"無(wú)源能量收集

液態(tài)金屬優(yōu)異的金屬特性，能夠被電磁功能化用于收集能量. 液態(tài)金屬填充的中空纖維能夠從周?chē)娖髦惺占芰縖50]，此外液態(tài)金屬-水凝膠的可拉伸磁電薄膜能夠在周期性的拉伸變化中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能[51]. 在智能穿戴領(lǐng)域，新型的能量收集摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）[52]被發(fā)明并廣泛用于收集損耗機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能. 中科院北京納米研究所王中林團(tuán)隊(duì)提出了一種超級(jí)多功能穿戴式設(shè)備（SMPU），使用了復(fù)合物電解質(zhì)材料制成，主要是由柔性微納米發(fā)電機(jī)（MSC）陣列和拱形結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）組成[53]，結(jié)構(gòu)如圖5f所示，SCMPU具有良好的柔性和高效的能量轉(zhuǎn)換性能，可以實(shí)現(xiàn)可穿戴設(shè)備的自供能.

最近，研究者們提出了一種新型的可拉伸導(dǎo)電纖維，這種纖維融合了彈性智能織物的特性、自供能傳感技術(shù)，以及采用液態(tài)金屬制成的皮芯結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電導(dǎo)穩(wěn)定性. 液態(tài)金屬同軸纖維在大應(yīng)變下展現(xiàn)出高電導(dǎo)率及高電子親和勢(shì)的表面特性，結(jié)合單電極擦納米發(fā)電原理可以構(gòu)建無(wú)源柔性傳感器，其工作原理如圖5g所示[54]. 液態(tài)金屬皮芯纖維的負(fù)載接地（負(fù)電芯表面）和摩擦電正性材料（正電芯表面、人體皮膚）在接觸界面電荷重新分布，產(chǎn)生的電勢(shì)差會(huì)誘導(dǎo)液態(tài)金屬?gòu)?fù)合芯的電荷運(yùn)動(dòng)，在自供能可穿戴傳感器領(lǐng)域中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景.

3.2"人機(jī)交互

近年來(lái)，人機(jī)交互領(lǐng)域熱門(mén)研究方向是手勢(shì)意圖識(shí)別，已經(jīng)研制了人機(jī)交互軟體機(jī)械手等[55]. 傳統(tǒng)的傳感器件由于自身剛度問(wèn)題，難以粘附在人體肌肉、關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)部位，無(wú)法準(zhǔn)確地識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)信號(hào). 基于液態(tài)金屬電路制備的柔性傳感器具有柔軟、可變形、無(wú)毒等特性，能夠緊密貼合人體運(yùn)動(dòng)部位，在手勢(shì)識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用. 中科大孫帥帥團(tuán)隊(duì)研究制備了一種非常規(guī)電學(xué)性能的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料（LMMRE），并使用該材料設(shè)計(jì)了一種高靈敏度的力傳感手環(huán)[56]. LMMRE材料是由融化的鎵、切碎的銦混合物與PDMS和羰基鐵粉攪拌混合去除氣泡并在磁場(chǎng)中固化制成的，磁場(chǎng)環(huán)境下固化能夠讓Fe粒子在基體中形成穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)特征賦予LMMRE復(fù)合材料的各向異性，流程圖如圖6a所示. LMMRE傳感單元由LMMRE片、線(xiàn)圈、導(dǎo)電銀膠帶、盒體和加壓球組成，一個(gè)LMMRE手環(huán)由LMMRE傳感單元、導(dǎo)線(xiàn)和彈性繃帶組成，具體結(jié)構(gòu)如圖6b所示. 雙條傳感綁帶能夠更好的識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)，其中各有4個(gè)傳感單元，固定在前臂末端（腕骨位置）和中端，具體佩戴位置如圖所示6c. 該設(shè)備僅需穿戴在前臂，無(wú)須在手部佩戴，可以用于手部功能缺失群體的手勢(shì)意圖識(shí)別，為后續(xù)的假肢機(jī)械手的主從控制提供了途徑.

3.3"軟體機(jī)器人

軟體機(jī)器人是硅膠、高分子聚合物、介電彈性體和形狀記憶聚合物等各種柔性材料制成的一種新型柔軟機(jī)器人，能夠適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境. 基于流體的液態(tài)金屬軟體機(jī)器人具有更高的自由度，比其他柔性材料制成的軟體機(jī)器人更柔軟. 近年來(lái)，常溫液態(tài)金屬已經(jīng)成為了軟體機(jī)器人的重要材料之一，其中可以通過(guò)永磁體控制一種磁性液態(tài)金屬液滴（MLMD）[57]進(jìn)行拉伸和大尺度運(yùn)動(dòng)，如圖7a所示，此外還包括了光化學(xué)誘導(dǎo)[58]、電驅(qū)動(dòng)[59]液態(tài)金屬液滴運(yùn)動(dòng)等，為液態(tài)金屬進(jìn)一步發(fā)展自由空間中的多自由度驅(qū)動(dòng)提供了一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái). 中國(guó)科學(xué)院泉州裝備制造研究所戴厚德團(tuán)隊(duì)提出了一種可重編程磁化和剛度的液態(tài)金屬磁性軟機(jī)器人[60]，該機(jī)器人利用鎵基合金和磁性材料的混合，如圖7b所示，可以通過(guò)控制溫度來(lái)改變機(jī)器人的剛度，實(shí)現(xiàn)了可編程的磁化和剛度，能夠?qū)崿F(xiàn)磁蠕蟲(chóng)、夾具、立方體、支架等多種形態(tài)和蠕動(dòng)、夾取、運(yùn)輸、支撐等多種功能，制造并測(cè)試了4個(gè)機(jī)器人原型，如圖7c所示. 這種液態(tài)金屬磁性機(jī)器人相比那些光驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人而言，具有響應(yīng)速度快、無(wú)限制的耐力和磁可追蹤性等特點(diǎn)，適合植入式醫(yī)療應(yīng)用，可以用于醫(yī)療和機(jī)器人操作等領(lǐng)域.

4"結(jié)"論

目前，柔性器件的功能并不能滿(mǎn)足柔性電路的需求，柔性電路中仍然存在著剛性器件，不能實(shí)現(xiàn)整體柔性化，并且與剛性電路相比，依然存在元器件集成度低、電路精密性差等問(wèn)題. 跨尺度、多維度填充式液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)制備方式具有制作簡(jiǎn)單高效、結(jié)構(gòu)和功能定制化、應(yīng)用于3維結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，能夠促使柔性器件向著多功能化、微型化和精密化等方向發(fā)展. 液態(tài)金屬微粒的摻雜能夠有效調(diào)控襯底材料表面固液接觸的潤(rùn)濕性，從而簡(jiǎn)化多材料復(fù)合的封裝過(guò)程，但存在導(dǎo)電性不足、后處理繁瑣等問(wèn)題，限制了其在規(guī)模化集成電路中的應(yīng)用前景. 隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，微流管注入的液態(tài)金屬電路成型方法具備復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)定制化的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、快速和大規(guī)模制備. 但由于使用場(chǎng)景的多樣化，微流管注入法制備的柔性導(dǎo)線(xiàn)依然存在一定局限性，由于襯底材料和液態(tài)金屬的熱膨張系數(shù)不同，在溫差大的環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體和基底出現(xiàn)形變不匹配的現(xiàn)象，甚至存在泄露的問(wèn)題，限制了在高功率密度電路的應(yīng)用. 目前，研究者們已經(jīng)提出了液態(tài)金屬-聚合物復(fù)合材料傳感器[61]、納米增強(qiáng)柔性傳感器[62]和可拉伸封裝技術(shù)[63]等解決方法，但大溫差環(huán)境下保證液態(tài)金屬導(dǎo)線(xiàn)溫度平穩(wěn)或整體不變形仍是微流管注入法在未來(lái)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題.

簡(jiǎn)而言之，跨尺度填充式液態(tài)金屬電路技術(shù)面臨大溫差環(huán)境的形變不匹配、液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料功能不足，以及可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的高度集成、精密和功能化等問(wèn)題. 后續(xù)的研究可以著眼于液態(tài)金屬的高導(dǎo)熱特性，有效地提高液態(tài)金屬導(dǎo)線(xiàn)在大溫差環(huán)境下的散熱性能，從而更好地解決形變不匹配問(wèn)題;深入研究液體金屬?gòu)?fù)合物的性能，并致力于開(kāi)發(fā)多功能的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料;不斷改良和完善液態(tài)金屬柔性導(dǎo)線(xiàn)的制備方式，以制備更多功能的微型液態(tài)金屬柔性電路，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬柔性電路的高功率密度、高度集成、精密和功能化.

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Preparation and Development of Cross-Scale

Filled Liquid Metal Circuit Technology

WANG Qing， ZHOU Zhou， SHI Wei， QIAN Wenjie， SONG Bo

（School of Mechanical Engineering， Anhui Polytechnic University， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract "Filled liquid metal circuits are the key to solve the problems of high resistance， low thermal conductivity and insufficient reliability of traditional liquid metal circuits， and the key to filled liquid metal circuits lies in the construction of microfluidic channels in the matrix and the component control of liquid metal composites. This paper summarizes the physicochemical properties of liquid metal， the preparation method of filled liquid metal circuits， and the applications in the fields of wearable devices， human-computer interaction， and soft robotics， focusing on the microfluidic tube injection method， microfluidic tube construction technology in the matrix， and the application of wearable devices. The preparation method of liquid metal flexible wires is discussed and its limitations in application are revealed. The corresponding optimization directions are proposed， so as to provide technical reference for the development of flexible electronic devices in the direction of high power， high reliability and integration.

Keywords "flexible electronics; gallium-based alloys; microfluidic tube injection method; wearing electronics