“概括來說，本研究旨在提供一種自由曲面激光加工的新工藝，以在任意復(fù)雜曲面上制備三維保形電子?！泵绹芴K里大學(xué)哥倫比亞分校機(jī)械與航空航天工程系副教授林見，對于他和團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)新成果做出如上概括。
該工藝可用于無人機(jī)的柔性剪應(yīng)力傳感器、液位傳感器、建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等。同時，課題組也期望探索自由曲面激光工藝的商業(yè)化可能性。
圖 | 林見（來源：林見）
近年來，作為三維曲面中的重要一員，保形電子因其在復(fù)雜曲面易于貼合、以及兼具傳統(tǒng)微電子器件的性能等優(yōu)勢，已被廣泛用于表皮電子學(xué)、健康監(jiān)測、機(jī)器人電子皮膚和汽車智能玻璃等場景。
盡管二維平面的微觀制造工藝，已在三維曲面保形電子上取得一定進(jìn)展，但仍存在電子器件與三維曲面難以完全貼合、信號收集難、信號收集不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。
因此，學(xué)界一直聚焦于研發(fā)更為先進(jìn)的制備工藝，此前已涌現(xiàn)出一些新型三維曲面保形電子制備工藝，比如氣溶膠噴涂、3D 增材制造、鑄造和應(yīng)力誘導(dǎo)組裝等。
在柔性可伸縮聚合物的表面，借助這些工藝可以加工出電子器件，然后通過轉(zhuǎn)移印花、熱/真空一體成型和水印轉(zhuǎn)移等技術(shù)，將電子器件轉(zhuǎn)移到三維曲面上。
然而，該團(tuán)隊(duì)通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，以上技術(shù)依舊存在諸多缺點(diǎn)，這極大限制了它們在三維曲面保形電子的廣泛應(yīng)用。因此，亟需開發(fā)一種步驟精簡、無需掩模、且貼合精度高的工藝。
使用自由曲面激光，開發(fā)三維曲面保形電子
研究中，他們將目光轉(zhuǎn)向激光直寫工藝上，其優(yōu)勢在于無需掩模、就能快速制備器件。
在硬件搭建上，激光直寫技術(shù)不僅成本低廉，還能高效批量地制備性能均一的電子器件，并能進(jìn)行多種前驅(qū)體的制備，包括激光誘導(dǎo)石墨烯、金屬及其合金、金屬氧化物/硫化物等納米功能材料。故其在傳感器、和能源存儲等領(lǐng)域，具備巨大的應(yīng)用前景。
據(jù)悉，課題組之前已有多年積累，曾首次發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)石墨烯 [1]、以激光合成的方式研發(fā)過渡金屬硫化物的電催化劑 [2]、制備了基于激光的可重復(fù)編程的磁性響應(yīng)軟材料 [3]、以及實(shí)現(xiàn)了基于激光平臺的金屬有機(jī)框架的高效自主合成 [4]。
不過他們發(fā)現(xiàn)，盡管在二維平面材料的制備上已經(jīng)得心應(yīng)手。但是，基于傳統(tǒng)線性運(yùn)動的激光直寫技術(shù)，卻無法在三維曲面實(shí)現(xiàn)保形電子。
主要原因在于：激光光束無法實(shí)時地垂直于三維曲面，這會導(dǎo)致激光點(diǎn)發(fā)生形變，從而影響功率輸出，進(jìn)而導(dǎo)致器件的性能不均。
此次工作中，他們將多軸機(jī)器人平臺的高機(jī)動性、與激光直寫技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了基于五軸聯(lián)動的自由曲面激光直寫工藝（Direct Freeform Laser）。
它的優(yōu)勢在于：既能確保激光束聚焦、且垂直于三維曲面，還能保留激光加工的材料選擇靈活性。
驗(yàn)證完曲面器件的性能之后，基于激光誘導(dǎo)石墨烯、金屬及其氧化物等材料，該團(tuán)隊(duì)使用自由曲面激光，開發(fā)了三維曲面保形電子。
對于其在溫度/紫外線/氨氣傳感器、超級電容器和無線傳輸電路上的可靠性，該團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，他們將應(yīng)變傳感器和人工智能進(jìn)行結(jié)合，展示了在智能家居上的應(yīng)用潛力。
近日，相關(guān)論文以《三維穩(wěn)定電子器件》（Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics）為題，發(fā)表在 Advanced Functional Materials 上[5]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Functional Materials）
鄭卜靜達(dá)是第一作者，密蘇里大學(xué)機(jī)械與航空航天工程系謝運(yùn)超博士、以及林見教授擔(dān)任共同通訊作者。
源起：茶歇時的頭腦風(fēng)暴
據(jù)介紹，本次研究是幾位論文作者，在茶歇時頭腦風(fēng)暴出來的。鑒于在現(xiàn)代消費(fèi)電子領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景，三維曲面保形電子已成為一個前沿研究的領(lǐng)域。
許多學(xué)者都致力于攻克三維曲面保形電子的制備工藝，并取得了不錯的進(jìn)展，但是仍存在諸多缺點(diǎn)。
林見表示：“我在做博后研究時，曾首次發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)石墨烯，它是由激光直寫技術(shù)快速制備而成。當(dāng)我自己成立課題組之后，一直在此領(lǐng)域繼續(xù)深挖?！?/p>
但是，對于復(fù)雜曲面尤其是曲率變化表面，人們依舊“束手無策”。為了把激光直寫技術(shù)擴(kuò)展到三維曲面保形電子，他和團(tuán)隊(duì)討論能否讓平臺實(shí)現(xiàn)五個自由度，這樣讓激光可以在任意復(fù)雜曲面上聚焦。
想法有了，接下來便是平臺搭建。為了降低搭建難度、以及控制成本，課題組決定在商業(yè)化 3D 打印機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造。
首先，他們在 X 軸上，增加繞 X 和 Z 軸的輸出正交旋轉(zhuǎn)軸，使得平臺擁有五個自由度。其次，將打印擠出頭替換為藍(lán)光激光模塊，借此作為激光直寫技術(shù)的末端執(zhí)行器。
最后，將原有擠出控制器、替換為開源的 Arduino 與 Ramps 組合套件，通過寫入五軸 CNC（Computer Numerical Control，計(jì)算機(jī)數(shù)值控制）機(jī)床固件，并配合電腦端上位機(jī)，借此實(shí)現(xiàn)五個步進(jìn)電機(jī)和激光模塊的同步控制。
這樣，經(jīng)過升級改造后的五軸聯(lián)動激光平臺，可以分別沿著 XYZ 三軸做線性運(yùn)動、以及繞 XZ 兩軸做轉(zhuǎn)動，從而確保激光束始終垂直于復(fù)雜曲面。
（來源：Advanced Functional Materials）
然后便是材料表征，在這一步他們分別使用三軸激光與五軸聯(lián)動激光，在三維曲面制備激光誘導(dǎo)石墨烯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)五軸聯(lián)動激光平臺更能靈活地應(yīng)對曲率變化的三維曲面。
其還發(fā)現(xiàn)，在不同曲率表面的激光誘導(dǎo)石墨烯，具備一致的拉曼光譜和電阻。
接著，在不同材質(zhì)和粗糙度的表面上，他們制備了激光誘導(dǎo)石墨烯，讓自由曲面激光技術(shù)的普適性得以驗(yàn)證。
（來源：Advanced Functional Materials）
最后一步，則是制備四種曲面保形的電子傳感器：
使用自由曲面的激光技術(shù)，研究人員在天然貝殼的表面，基于不同的前驅(qū)體，制備出能夠探測溫度和紫外線的銀電極，此為第一種電子傳感器。
同時，他們還造出一種二氧化鉬電極，它能測量氨氣的濃度，這是第二種電子傳感器。
此外，其還制備了一種無線傳輸銀電路，它可以集成控制器和光面電阻，此為第三種電子傳感器。
另一款則是激光誘導(dǎo)型石墨烯超級電容器，可用于電化學(xué)儲能，這是第四種電子傳感器。
圖 | 集成控制電路和光敏電阻的無線傳輸電路（來源：Advanced Functional Materials）
最后，在仿真植物上，研究團(tuán)隊(duì)集成了基于激光誘導(dǎo)石墨烯的應(yīng)變傳感器，結(jié)合人工智能算法之后，他們發(fā)現(xiàn)能用于探測室內(nèi)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，從而為物聯(lián)網(wǎng)智能家居的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供新思路。
（來源：Advanced Functional Materials）
總結(jié)來看，此次推出的自由曲面激光直寫工藝，在三維曲面保形電子有著巨大的優(yōu)勢：
其一，可將三維曲面保形電子的制備步驟，簡化為一步激光直寫，讓保形電子與復(fù)雜曲面實(shí)現(xiàn)完全貼合；
其二，既能處理聚合物、天然木材、金屬、金屬氧化物等材料，又能在具有不同粗糙度的凸凹面上處理；
其三，由于該制備工藝可被輕易地復(fù)現(xiàn)，故對于保形電子領(lǐng)域的科研人員，該成果能夠提供切實(shí)可行的解決方案。
至少具備 6 大應(yīng)用前景
除了學(xué)術(shù)價值之外，該技術(shù)也具有較強(qiáng)的普適性，能在以下領(lǐng)域施展能力：
第一，可用于無人機(jī)柔性剪應(yīng)力傳感器。當(dāng)在無人機(jī)的前緣，安裝剪應(yīng)力傳感器陣列，就能監(jiān)測前緣渦流的分離線，從而研究無人機(jī)升力的變化。
這時，使用自由曲面激光技術(shù)，即可在無人機(jī)表面快速、無掩模地制備出剪應(yīng)力傳感器陣列，既能有效地簡化制備轉(zhuǎn)移步驟，又能有效地貼合無人機(jī)表面，從而緩解信號收集難的問題。
第二，可用于液位傳感器。液位傳感器能對特定容器內(nèi)液位的變化情況，進(jìn)行實(shí)時探測，從而做出對應(yīng)的變化。而自由曲面激光技術(shù)可在復(fù)雜曲面，直接制備出印刷電路，并集成相應(yīng)的電子元器件，以幫助液位傳感器實(shí)現(xiàn)指示控制等功能。
這種液位傳感器還可用于智能魚缸。當(dāng)有水被泵入水箱時，傳感器會在水位上升時記錄當(dāng)前水位，同時點(diǎn)亮發(fā)光二極管以指示水位；當(dāng)魚缸裝滿時，電路會感應(yīng)水位并停止水泵運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)水位下降到特定高度時，傳感器會發(fā)生指令，讓水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)、直至到達(dá)特定高度。
第三，可用于電子仿生皮膚/可穿戴設(shè)備。電子皮膚，是指能夠模仿人類或動物皮膚功能的柔性可拉伸電子器件，目前已廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域，比如收集溫度、出汗量與心電圖等重要生理信號。
當(dāng)使用自由曲面激光工藝時，在已涂有前驅(qū)體的表面，可以直接加工制備電子皮膚。這種完全貼合的電子皮膚，確保能采集到更保真的生理信號。
第四，可用于建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測。建筑結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，主要用在土木、鐵路和核電站等基礎(chǔ)設(shè)施。這些設(shè)施的表面和內(nèi)部，會發(fā)生緩慢的結(jié)構(gòu)損壞。
當(dāng)使用該工藝時，則可起到防范衍生的公共安全事故、降低維護(hù)和維修的成本。具體來說，在這類基礎(chǔ)設(shè)施的表面，借助該技術(shù)可以制備出一種應(yīng)變傳感器，它能夠集成溫度、濕度、壓力、無線傳感和電池，以便長期檢測基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)安全。
第五，可用于環(huán)境信號監(jiān)測。構(gòu)建高效環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有助于完善環(huán)境污染的預(yù)防和治理，而這需要大量的精準(zhǔn)型傳感器。
對于傳統(tǒng)電子器件來說，均是先制備、后放置在環(huán)境里。而該團(tuán)隊(duì)提出的工藝，可以利用自然界中大量存在的貝殼礁石等，將各類傳感器集成到貝殼表面，既可以有效利用自然資源，又能和環(huán)境完全融合。
比如，在海邊的礁石里放置能夠感測溫度、濕度、鹽度和壓力的傳感器，從而實(shí)時監(jiān)測環(huán)境變化和潮汐規(guī)律等。
第六，可用于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析。課題組表示：“物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)和移動通信，是信息時代的四大巨頭?！?/p>
物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、驅(qū)動器和空間分布式設(shè)備，將網(wǎng)絡(luò)拓展到了物理領(lǐng)域。隨著電腦硬件的不斷升級，將大數(shù)據(jù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、以及人工智能，可以進(jìn)一步提高人類生活品質(zhì)。
大數(shù)據(jù)預(yù)測的準(zhǔn)確程度，取決于所獲得數(shù)據(jù)類別的廣泛性、以及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而使用此次工藝，可以在各種環(huán)境下的基底上制備傳感器，從而保證數(shù)據(jù)類別的廣泛性。
此外，傳感器的高保形貼合度也能保障數(shù)據(jù)的可信度。結(jié)合人工智能模型和硬件設(shè)備，該技術(shù)可以讓物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析更上一層樓。
后續(xù)，為進(jìn)一步提高自由曲面激光工藝的實(shí)用性，課題組將從以下四個方面努力：
第一，升級自由曲面激光平臺的硬件，借此提高平臺的定位精度；第二，充實(shí)可加工材料庫，例如金屬合金與金屬硫/氧/氮化物，從而擴(kuò)展三維曲面保形電子的應(yīng)用范圍；第三，通過開發(fā)控制程序，來應(yīng)對曲率變化帶來的激光通量變化，進(jìn)而提高三維曲面保形電子的加工質(zhì)量；第四，集成不同的末端執(zhí)行器，以研究不同工藝的加工可能性。
參考資料：
1.2014 Nat. Commun.5, 5714
2.2016 J. Mater. Chem. A4, 6824
3.2020 Nat. Commun.11, 6325
4.2021 ACS Appl. Mater. Interfaces13, 53485
5.Zheng, B., Zhao, G., Yan, Z., Xie, Y., & Lin, J. (2022). Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics. Advanced Functional Materials, 2210084.
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