“概括来说，本研究旨在提供一种自由曲面激光加工的新工艺，以在任意复杂曲面上制备三维保形电子。”美国密苏里大学哥伦比亚分校机械与航空航天工程系副教授林见，对于他和团队的一项新成果做出如上概括。

该工艺可用于无人机的柔性剪应力传感器、液位传感器、建筑结构监测传感器、物联网和大数据分析等。同时，课题组也期望探索自由曲面激光工艺的商业化可能性。

图 | 林见（来源：林见）

近年来，作为三维曲面中的重要一员，保形电子因其在复杂曲面易于贴合、以及兼具传统微电子器件的性能等优势，已被广泛用于表皮电子学、健康监测、机器人电子皮肤和汽车智能玻璃等场景。

尽管二维平面的微观制造工艺，已在三维曲面保形电子上取得一定进展，但仍存在电子器件与三维曲面难以完全贴合、信号收集难、信号收集不稳定等缺点。

因此，学界一直聚焦于研发更为先进的制备工艺，此前已涌现出一些新型三维曲面保形电子制备工艺，比如气溶胶喷涂、3D 增材制造、铸造和应力诱导组装等。

在柔性可伸缩聚合物的表面，借助这些工艺可以加工出电子器件，然后通过转移印花、热/真空一体成型和水印转移等技术，将电子器件转移到三维曲面上。

然而，该团队通过文献调研发现，以上技术依旧存在诸多缺点，这极大限制了它们在三维曲面保形电子的广泛应用。因此，亟需开发一种步骤精简、无需掩模、且贴合精度高的工艺。

使用自由曲面激光，开发三维曲面保形电子

研究中，他们将目光转向激光直写工艺上，其优势在于无需掩模、就能快速制备器件。

在硬件搭建上，激光直写技术不仅成本低廉，还能高效批量地制备性能均一的电子器件，并能进行多种前驱体的制备，包括激光诱导石墨烯、金属及其合金、金属氧化物/硫化物等纳米功能材料。故其在传感器、和能源存储等领域，具备巨大的应用前景。

据悉，课题组之前已有多年积累，曾首次发现激光诱导石墨烯 [1]、以激光合成的方式研发过渡金属硫化物的电催化剂 [2]、制备了基于激光的可重复编程的磁性响应软材料 [3]、以及实现了基于激光平台的金属有机框架的高效自主合成 [4]。

不过他们发现，尽管在二维平面材料的制备上已经得心应手。但是，基于传统线性运动的激光直写技术，却无法在三维曲面实现保形电子。

主要原因在于：激光光束无法实时地垂直于三维曲面，这会导致激光点发生形变，从而影响功率输出，进而导致器件的性能不均。

此次工作中，他们将多轴机器人平台的高机动性、与激光直写技术结合，开发了基于五轴联动的自由曲面激光直写工艺（Direct Freeform Laser）。

它的优势在于：既能确保激光束聚焦、且垂直于三维曲面，还能保留激光加工的材料选择灵活性。

验证完曲面器件的性能之后，基于激光诱导石墨烯、金属及其氧化物等材料，该团队使用自由曲面激光，开发了三维曲面保形电子。

对于其在温度/紫外线/氨气传感器、超级电容器和无线传输电路上的可靠性，该团队也进行了验证。最后，他们将应变传感器和人工智能进行结合，展示了在智能家居上的应用潜力。

近日，相关论文以《三维稳定电子器件》（Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics）为题，发表在 Advanced Functional Materials 上[5]。

图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）

郑卜静达是第一作者，密苏里大学机械与航空航天工程系谢运超博士、以及林见教授担任共同通讯作者。

源起：茶歇时的头脑风暴

据介绍，本次研究是几位论文作者，在茶歇时头脑风暴出来的。鉴于在现代消费电子领域的巨大应用前景，三维曲面保形电子已成为一个前沿研究的领域。

许多学者都致力于攻克三维曲面保形电子的制备工艺，并取得了不错的进展，但是仍存在诸多缺点。

林见表示：“我在做博后研究时，曾首次发现了激光诱导石墨烯，它是由激光直写技术快速制备而成。当我自己成立课题组之后，一直在此领域继续深挖。”

但是，对于复杂曲面尤其是曲率变化表面，人们依旧“束手无策”。为了把激光直写技术扩展到三维曲面保形电子，他和团队讨论能否让平台实现五个自由度，这样让激光可以在任意复杂曲面上聚焦。

想法有了，接下来便是平台搭建。为了降低搭建难度、以及控制成本，课题组决定在商业化 3D 打印机的基础上进行升级改造。

首先，他们在 X 轴上，增加绕 X 和 Z 轴的输出正交旋转轴，使得平台拥有五个自由度。其次，将打印挤出头替换为蓝光激光模块，借此作为激光直写技术的末端执行器。

最后，将原有挤出控制器、替换为开源的 Arduino 与 Ramps 组合套件，通过写入五轴 CNC（Computer Numerical Control，计算机数值控制）机床固件，并配合电脑端上位机，借此实现五个步进电机和激光模块的同步控制。

这样，经过升级改造后的五轴联动激光平台，可以分别沿着 XYZ 三轴做线性运动、以及绕 XZ 两轴做转动，从而确保激光束始终垂直于复杂曲面。

（来源：Advanced Functional Materials）

然后便是材料表征，在这一步他们分别使用三轴激光与五轴联动激光，在三维曲面制备激光诱导石墨烯，结果发现五轴联动激光平台更能灵活地应对曲率变化的三维曲面。

其还发现，在不同曲率表面的激光诱导石墨烯，具备一致的拉曼光谱和电阻。

接着，在不同材质和粗糙度的表面上，他们制备了激光诱导石墨烯，让自由曲面激光技术的普适性得以验证。

（来源：Advanced Functional Materials）

最后一步，则是制备四种曲面保形的电子传感器：

1. 使用自由曲面的激光技术，研究人员在天然贝壳的表面，基于不同的前驱体，制备出能够探测温度和紫外线的银电极，此为第一种电子传感器。

2. 同时，他们还造出一种二氧化钼电极，它能测量氨气的浓度，这是第二种电子传感器。

3. 此外，其还制备了一种无线传输银电路，它可以集成控制器和光面电阻，此为第三种电子传感器。

4. 另一款则是激光诱导型石墨烯超级电容器，可用于电化学储能，这是第四种电子传感器。

图 | 集成控制电路和光敏电阻的无线传输电路（来源：Advanced Functional Materials）

最后，在仿真植物上，研究团队集成了基于激光诱导石墨烯的应变传感器，结合人工智能算法之后，他们发现能用于探测室内风速和风向的变化，从而为物联网智能家居的应用设计提供新思路。

（来源：Advanced Functional Materials）

总结来看，此次推出的自由曲面激光直写工艺，在三维曲面保形电子有着巨大的优势：

• 其一，可将三维曲面保形电子的制备步骤，简化为一步激光直写，让保形电子与复杂曲面实现完全贴合；

• 其二，既能处理聚合物、天然木材、金属、金属氧化物等材料，又能在具有不同粗糙度的凸凹面上处理；

• 其三，由于该制备工艺可被轻易地复现，故对于保形电子领域的科研人员，该成果能够提供切实可行的解决方案。

至少具备 6 大应用前景

除了学术价值之外，该技术也具有较强的普适性，能在以下领域施展能力：

第一，可用于无人机柔性剪应力传感器。当在无人机的前缘，安装剪应力传感器阵列，就能监测前缘涡流的分离线，从而研究无人机升力的变化。

这时，使用自由曲面激光技术，即可在无人机表面快速、无掩模地制备出剪应力传感器阵列，既能有效地简化制备转移步骤，又能有效地贴合无人机表面，从而缓解信号收集难的问题。

第二，可用于液位传感器。液位传感器能对特定容器内液位的变化情况，进行实时探测，从而做出对应的变化。而自由曲面激光技术可在复杂曲面，直接制备出印刷电路，并集成相应的电子元器件，以帮助液位传感器实现指示控制等功能。

这种液位传感器还可用于智能鱼缸。当有水被泵入水箱时，传感器会在水位上升时记录当前水位，同时点亮发光二极管以指示水位；当鱼缸装满时，电路会感应水位并停止水泵运转；当水位下降到特定高度时，传感器会发生指令，让水泵开始运转、直至到达特定高度。

第三，可用于电子仿生皮肤/可穿戴设备。电子皮肤，是指能够模仿人类或动物皮肤功能的柔性可拉伸电子器件，目前已广泛用于医疗领域，比如收集温度、出汗量与心电图等重要生理信号。

当使用自由曲面激光工艺时，在已涂有前驱体的表面，可以直接加工制备电子皮肤。这种完全贴合的电子皮肤，确保能采集到更保真的生理信号。

第四，可用于建筑结构监测。建筑结构的健康监测，主要用在土木、铁路和核电站等基础设施。这些设施的表面和内部，会发生缓慢的结构损坏。

当使用该工艺时，则可起到防范衍生的公共安全事故、降低维护和维修的成本。具体来说，在这类基础设施的表面，借助该技术可以制备出一种应变传感器，它能够集成温度、湿度、压力、无线传感和电池，以便长期检测基础设施的结构安全。

第五，可用于环境信号监测。构建高效环境监测系统，有助于完善环境污染的预防和治理，而这需要大量的精准型传感器。

对于传统电子器件来说，均是先制备、后放置在环境里。而该团队提出的工艺，可以利用自然界中大量存在的贝壳礁石等，将各类传感器集成到贝壳表面，既可以有效利用自然资源，又能和环境完全融合。

比如，在海边的礁石里放置能够感测温度、湿度、盐度和压力的传感器，从而实时监测环境变化和潮汐规律等。

第六，可用于物联网和大数据分析。课题组表示：“物联网、大数据、计算机和移动通信，是信息时代的四大巨头。”

物联网通过传感器、驱动器和空间分布式设备，将网络拓展到了物理领域。随着电脑硬件的不断升级，将大数据结合物联网、以及人工智能，可以进一步提高人类生活品质。

大数据预测的准确程度，取决于所获得数据类别的广泛性、以及数据的准确性。而使用此次工艺，可以在各种环境下的基底上制备传感器，从而保证数据类别的广泛性。

此外，传感器的高保形贴合度也能保障数据的可信度。结合人工智能模型和硬件设备，该技术可以让物联网与大数据分析更上一层楼。

后续，为进一步提高自由曲面激光工艺的实用性，课题组将从以下四个方面努力：

第一，升级自由曲面激光平台的硬件，借此提高平台的定位精度；第二，充实可加工材料库，例如金属合金与金属硫/氧/氮化物，从而扩展三维曲面保形电子的应用范围；第三，通过开发控制程序，来应对曲率变化带来的激光通量变化，进而提高三维曲面保形电子的加工质量；第四，集成不同的末端执行器，以研究不同工艺的加工可能性。

参考资料：

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.