本文摘自DeepTech深科技，侵删。
继不久前联合研发出全球最小飞行结构之后，2016 年麻省理工科技评论“35 岁以下科技创新 35 人”（TR35）全球榜单上榜者、清华大学航天航空学院工程力学系长聘教授张一慧和团队，再次迎来在 Science Advances 的封面论文。
（来源：Science Advances）
据悉，该团队在一个指甲大小（11×10 mm^2）面积上，集成了包括微控制器等在内的 42 个电子元件、80 多条蛇形导线的小型化多功能无线柔性电子器件，其覆盖率达到 110%，且具有 20% 的双向延展率。并且，他们还进行了该器件作为无线鼠标等在人机交互方面的应用演示实验[1]。
图 | 张一慧（来源：张一慧）
3 月 17 日，相关论文以《基于堆叠的多层网络材料的高度集成、小型化、可拉伸的电子系统》（Highly integrated, miniaturized, stretchable electronic systems based on stacked multilayer network materials）为题，发表在 Science Advances 上。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
据了解，该工作解决了无机柔性电子器件延展率和功能密度相互制约的难题，特别是解决了柔性电子器件经过封装后，如何保持较高的延展率和高集成度的挑战。
（来源：Science Advances）
近两年来，柔性电子器件在 5G、大数据及万物互联技术的加持下，被赋予了更多应用场景及可能。在柔性电子器件领域，人们聚焦在如何将器件做得更好，这主要体现在提高器件的延展性和提高器件的功能密度上。
前人的研究，已经提出了诸如“岛-桥”结构、蛇形导线、分型导线及三维螺旋导线等经典设计策略。但是，这些巧妙的设计在增加了器件延展性的同时，是以降低器件的功能密度为代价的。
图 | 宋洪烈（来源：宋洪烈）
统计结果表明，这样实现的器件的覆盖率一般小于 80%。据悉，柔性电子器件的覆盖率可以被认为是衡量柔性电子器件功能密度的一个指标，是用柔性电子器件中各个电子元件占用总面积的比值。数值越大，说明单位面积内集成的电子元件数量越多，也可粗略地等同于这样的柔性电子器件功能强大、集成度高。
另一方面，前人的研究中也提出将单层电路进行折叠和层叠，以此用来提高柔性电子器件功能密度。但是，在经过封装后，由于封装材料对导线的限制作用，系统的覆盖率最高达到~76%，难以进一步提高。
因此，按照当前的方法，提高柔性电子器件的延展率与提高覆盖率是一对矛盾，不能同时得到。而张一慧团队的解决思路是从封装层面着手，减弱封装对可拉伸导线的限制，以此达到同时提高延展度和覆盖率的目的。
针对这一问题，该团队结合本课题组在仿生网状软材料方向的研究基础[2, 3]，引入具备人体皮肤力学性能的柔性网格材料作为基底封装材料，在降低对导线约束的同时，利用网格的孔隙容纳蛇形导线受拉伸之后的面外变形，以此提高器件的延展性。同时，将多个网格基底层叠，在不影响延展性的同时，又提高了器件的功能密度。
理论和实验结果表明，与传统上使用 PDMS（二甲基硅氧烷，Polydimethylsiloxane）的固体封装相比，网格封装比固体封装在延展率方面可提升 7.5 倍。而该团队提出的“约束因子”概念，可以定量刻画器件的封装材料与蛇形导线的相互竞争关系对其延展率的影响。
（来源：Science Advances）
同时，还可利用叠层的方式增加器件的覆盖率，并避免其延展性受到较大减弱。这种基于层叠网格的器件集成与封装技术，有利于实现小型化器件的高延展率和高覆盖率集成；解决了实际应用中器件在经过固体封装后，其弹性延展率大幅下降的难题。
其中一位审稿人认为，该团队深入探讨了基于层叠网格材料的柔性电子器件封装体系的概念、制造方法、定量的力学建模及实验，以及在此网格封装平台上构建的小型化集成可拉伸柔性电子器件。
（来源：Science Advances）
最初想法来自 7 年前
该项目的雏形，来源于张一慧在 2015 年左右的想法，并从本次论文第一作者宋洪烈加入课题组进行博士后研究时正式立项，经过多次讨论与理论计算，逐渐将项目目标和研究内容细化，最终在 2018 年初立项。
整个研究主要有三部分，第一是整个设计需要力学理论的指导。一般是把理论计算放在前面，通过力学理论与有限元模拟计算，指导这些可拉伸力学结构的设计。
之后，再与柔性电子器件的微加工实验及测试结果对比，并在实验过程中发现前期理论和设计上的不足。通过不断地迭代优化，最终得到理论与实验相符合的结果，进一步对结构设计和柔性电子器件进行设计与制造。
（来源：Science Advances）
上述过程也体现出了论文中的第二个方面，即宋洪烈与来自哈工大的访问博士生罗国全的密切合作（文章的另一位共同第一作者）。罗国全擅长理论建模及仿真，研究过程中的计算模拟部分主要是由他完成。
尤其是当理论与实验出现不一致的地方，两位一作在讨论后快速找到问题所在，看到底是力学模型方面的问题，还是实验的细节出了问题。有时他俩在晚上会一起在清华东操场跑步，边跑边讨论，很快达成共识。
第三点是解决了整个系统的设计与制造过程中的很多工艺难点。整个论文花耗时比较长，完成度也比较高。原因在于该团队不仅考虑了理论计算、设计方法，又考虑了制造工艺，甚至还有制造工艺中每一个细节。
比如在转印组装的过程中，该团队设计了一套手动对准装置，还曾尝试过激光加热的焊接方法。此外还有系统的功能实现、上位机及系统的界面、器件搭载微型控制器程序的编写，以及解决无线数据传输问题等。
在对比研究网格封装与传统固体封装的弹性延展率时，研究人员需要将拉伸循环实验的结果、与有限元计算的结果相对比，以此作为之后网格-蛇形导线封装体系设计的基础。
在这个理论与实验相互对照与验证的过程中，确实遇到很多困难。平常很多不起眼的细节，如拉伸循环加载速度、夹持的位置、界面的脱粘等一系列的问题，都会影响到实验的结果。
（来源：Science Advances）
期间，研究人员也反复体验了“知易行难”和“知难行易”两句话的真谛。最终在不断校正的过程中，得以找到关键因素，建立了符合实验现象的疲劳断裂判定准则。虽然这部分内容在论文中可能是几句话就一笔带过，但背后包含的工作量确实很多。
提出通用型柔性封装集成技术
概括来说，该研究提出了一种通用型封装集成技术。一开始，该团队的想法是将其作为一种新型的封装、集成平台，使用到无机柔性电子器件中。这种网格封装方法，不仅可以实现器件的高度集成、高可延展。此外，由于使用网格作为封装材料，因此会有很好的透气性，这有利于提高电子器件的佩戴舒适度。
因此，后续该团队打算将其用于贴片式器件中，因为这种网格可以很好地与皮肤共形。当然也可用于医疗领域，比如用在植入式的柔性电子器件中。
对于后续计划该团队表示：“一方面是将这种通用的封装技术，用于贴片式器件。另一方面是想，将这种网格封装的电子器件应用到复杂的三维表面上。主要是与生医工程相结合，比如将圆环状的柔性电子器件包裹在血管或者神经导管上，实现生理信号的检测或者某些疾病的调控。”
-End-
参考：
1、Science Advances, 2022, 8: eabm3785;
2、 Science Advances, 2018, 4, eaar8535;
3、 Nature Communications, 2020, 11: 1180.
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