对于可穿戴生物电子或体内植入生物电子，许多人一直有这样一个期待：那就是希望它能像人体一样软弹坚韧，可以和我们的肉体完美地兼容。

对于柔性可拉伸生物电子来说，一个很重要的组成部分便是可拉伸导体。如果把一个柔性可拉伸生物电子系统比喻成一栋“变形大厦”，生物电子就是里面的“弹性砖头”。

“弹性砖头”可以联合其他材料构建诸多的“功能单元”，比如传感器、换能器、通讯模块、电路和连接线，最后建成整座“大厦”。

目前在制备“弹性砖头”时，人们普遍基于弹性体、以及铜、银、碳等各种传统固态导电微纳材料的复合。

这些固态导电材料本身不具有拉伸性，虽然这种“弹性砖头”在弹性聚合物的帮助之下，能够承受一定的应力或应变。但是，经过长期或剧烈的应力应变, 比如上万次伸缩或者 2 倍以上拉伸，“弹性砖头”就会产生很多微裂纹，导致电学断裂或物理断裂，最终引发“功能单元”或“整个大厦”的瘫痪或倒塌。

同时，这些可拉伸导体和传统固态微电子的连接也面临着巨大挑战。传统的焊锡高温焊接并不适用于这种软-硬连接，因为软电子既不耐高温，和焊锡也不兼容。

而基于聚合物的导电胶，固然能和软电子兼容，但是难以实现精细微焊接。对于接口来说，它也容易在长期或剧烈力学刺激之下，出现类似的裂纹和电学断裂。

后来人们开始从液态金属身上寻找方案。液态金属——之所以拥有这样的名字组合，是因为它既拥有固态金属的导电性，也拥有液体的流动性。因此，它本身具有变形的能力。

液态金属就像一个超级爱动的“小朋友”，很难乖乖让它按照某个姿态待在某个地方。当把液态金属块体碎成很多小颗粒，颗粒表面会产生一层氧化物，虽然有利于操控也能阻碍进一步氧化，但会导致整体不导电。

所以，针对长期或剧烈力学刺激的稳定性问题、以及软-硬连接的问题，目前基于液态金属的可拉伸导体，都尚未得到很好的解决方案。正是基于上述背景，新加坡国立大学博士后陈书文和同事造出了一种液固双层可拉伸导体。

构建液固双层可拉伸导体，无惧上万次伸缩和 22 倍拉伸

这种液固双层可拉伸导体，基于液态金属、液态金属颗粒和弹性聚合物。制备时，并不是一层层地平铺实现，而是在剥离过程中自动形成的。

在液固双层可拉伸导体原材料上，课题组采用液态金属微纳颗粒和高极性弹性体的复合油墨配制而来，它可以和很多基底兼容，因此很容易对其加以操控，印刷成形之后是一层绝缘的复合物。

将带有前驱体的基底从粘性胶上剥离时，在剥离过程中产生的应力，会自动驱使这种单层绝缘体向双层导电体转变。从而形成一种特殊结构：上层是液态金属膜，下层是固态复合物。其中：

上层的液态金属膜有利于自动进行软-硬连接。这时只需将固态电子放在液固双层可拉伸导体上面，按压之后固态电子引脚就会自动伸入上层液态金属膜之中，从而实现电学连接。

下层固态复合物则有利于稳定液固双层可拉伸导体和基底的连接。因此即便历经上万次伸缩和 22 倍拉伸，液固双层可拉伸导体也没有出现裂纹和明显的电学衰减。

特别有意思的是，当它受到刀伤出现裂缝时，下层的液态金属颗粒会开始破裂，从而将里面的液态金属释放出来自动弥补缺口，进而立即恢复电学性能。

因此，液固双层可拉伸导体可以像皮肤一样软弹坚韧，既可以稳定地承受长期或剧烈的力学刺激，又可以方便快速地实现软-硬电子连接。

对于本次工作，审稿人认为和领域内的已有论文相比，本次论文的水平位于该类论文的前 15%。

审稿人之一认为课题组仅仅通过剥离就能得到这种奇特的液固双层可拉伸导体。在它的电学性能上，它对于应力展现出了非常强的鲁棒性，这对于可拉伸电子来说十分有吸引力。

审稿人之二认为这种液固双层可拉伸导体兼具自焊接能力和自愈合能力，在大形变之下存在几乎不变的电导率和电阻。

整体来看，这种液固双层可拉伸导体能用于构建加热器、无线系统、可拉伸传感器、可拉伸显示器、可拉伸加热器，进而构建基于可拉伸生物传感的人机交互系统等。

对于这种人机交互系统来说，其中一个很典型的应用场景便是用于监测心脏电生理图。

房颤，是一种常见的心律失常，通常发生在心脏的心房部分。当一个人发生房颤时，心房跳动不再遵循正常的有序方式，而是以不规则、且快速的方式跳动着，这可能导致心脏无法将血液充分泵入心室，增加患者出现血栓、中风和其他心血管问题的风险。

对于严重型慢性房颤患者来说，特别是药物治疗无效或已经出现无法耐受的患者，医生可能会建议进行电生理研究和消融术，即通过电生理研究来确定异常的心脏组织，然后通过心脏消融手术来摧毁或隔离上述组织，从而帮助恢复心脏节律的正常。

而此前使用的传统方法通常涉及到导管技术，其中导管上的电极可被用于定位异常的电活动源，以帮助恢复正常的心律。

这些导管电极由于空间分辨率极低，因此无法以高通量的方式，绘制心外膜的电生理状态，特别是对于多点心外膜组织的异常定位存在很大挑战。

而采用液固双层可拉伸导体，则能做成心脏大小的电极阵列网，铺在或套在心脏上进行全心脏的电生理监测，并且可以随着心脏跳动而发生适应性形变，助力于实现快速、高效、高分辨的定位异常组织。

柔性电子材料的选择

在柔性电子器件的制备过程中，材料选择是关键因素之一。不同的材料具有不同的电学、机械和光学性质，因此对器件的性能有着重要的影响。

材料必须具有足够的柔性性能，以确保在器件弯曲和扭曲时不出现断裂或损坏。材料应具有适当的电导率、载流子迁移率和能带结构，以满足柔性电子器件的工作要求。材料必须与其他器件组件和基底材料相兼容，以确保器件的稳定性和可靠性。

制备柔性电子器件的材料成本应该适中，以确保器件的商业可行性和应用性。正确选择合适的材料可以有效地提高柔性电子器件的性能和稳定性，推动柔性电子技术的发展和应用。

有机半导体材料是由碳、氢、氧、氮等元素组成的有机化合物，其电子结构使其具有半导体特性。与传统的硅基半导体材料相比，有机半导体材料的导电性能较差，但由于其分子结构的可调性和可溶性，具有很多独特的优势。

也称为有机晶体半导体，其中的载流子传输主要由晶体结构中的共价键传导。这类材料通常具有较高的载流子迁移率，适用于高性能的柔性电子器件。

也称为有机非晶体半导体，其中载流子的传输主要由材料中的松散结构和分子间的非共价键传导。这类材料通常具有较低的载流子迁移率，适用于一些低功耗的柔性电子器件。

有机半导体材料的研究取得了重要的进展，许多新型有机半导体材料的特点和优势被发现，并在柔性电子器件中得到应用。新型有机半导体材料的特点与优势包括：

它的半导体材料的分子结构可通过合成方法进行调控和设计，从而实现特定电学、光学和机械性能，满足不同柔性电子器件的要求。

与传统的硅基半导体相比，有机半导体材料的制备通常采用溶液法或印刷法等低成本、高效率的方法，降低了生产成本。

有机半导体材料可以制备成薄膜或纤维状的形式，适合于大面积柔性制备，实现可卷曲、可弯曲的柔性器件。

它的半导体材料的柔软性和可弯曲性使其能够适应不规则和复杂形状的基底，如弯曲的显示屏和可穿戴设备。

部分有机半导体材料具有良好的生物兼容性，适合用于生物医学应用，如可穿戴的健康监测器和医疗传感器。

智能可穿戴材料创新不止

智能可穿戴材料作为一种前瞻性、颠覆性、智能化的新型材料，正在不断赋能新型可穿戴设备加速升级迭代，助推着医用新材料、人机交互等技术持续突破。日前，2023年智能可穿戴材料前沿论坛在上海举行，论坛由上海应用技术大学主办，上海市新材料协会协办。来自国内外专家学者齐聚一堂，聚焦智能可穿戴材料研究与应用所面临的创新型发展的热点问题，共探材料行业未来。

“智能可穿戴材料是支撑人工智能、物联网、元宇宙等交叉学科发展的重要载体。”上海应用技术大学校长汪小帆表示，新工科教育和新兴产业的发展密切关联，做好智能可穿戴材料的高水平原始创新，需要在人才培养、科技创新中发挥产学研“协同创新、协同育人、协同引才”作用，不断深化产教融合，共同为推动我国智能可穿戴材料行业的飞速发展做出更大贡献。

随着人们健康观念的转变及重视程度的提升，我国大健康产业正在快速发展，可穿戴材料的医疗创新产品愈加受到广泛关注。中国科学院院士、东华大学教授朱美芳提出，智能可穿戴材料技术及产业发展迅速，其研究也成为材料科学与工程领域的重要前沿，需要在加快新材料创新和工艺产业化的基础上，不断打破学科之间的界限，不断以集成化、微型化、柔性化技术趋势快速发展。

“谈到纺织，人们往往会把服饰与其等同起来，这其实是对纺织行业的误解。”武汉纺织大学教授王栋谈到，团队将柔性传感器等技术嵌入衣服或贴附于皮肤表面，甚至直接植入人体内，让精准化的健康管理逐步融入人们日常生活中，目前纤维基可穿戴设备已经应用在运动员训练康复、血糖监测等精确传感场景中。

基于可穿戴材料的医疗创新产品，东华大学研究员潘绍武介绍了以可拉伸应变传感器实现肌电信号和心电信号等电生理信号的有效采集，对血液、神经元活动、心脏等进行连续长时间的生理参数监控。

说到清洁能源，大家没有想过利用人体体温也能发电？如何创新热电材料驱动“体温”供电？在上海应用技术大学教授杜永看来，柔性热电材料具有形状可弯曲、重量轻和环境友好等优点，围绕柔性热电材料的制备工艺，他分享了3D打印、丝网印刷、真空抽滤等路线中的影响因素，“合理设计柔性热电器件构造，实现能量输出的最大化，是柔性热电器件发展的方向之一，在可穿戴设备及其他柔性电子领域具有较好的应用前景。”

“智能织物‘穿’和‘戴’是不同的概念。”香港理工大学教授王训该提出从“无人穿戴的技术”到“随处可见的可穿戴产品”，仍然面临舒适性、可持续性等一系列挑战。苏州大学教授方剑展示了纺织工程与智能纱线技术在多功能纱线制造方面的成功应用，为可穿戴设备的集成化发展提供了新的思路与见解。南洋理工大学教授魏磊提出，在热拉纤维成型的过程中应用直接压印的工艺，可实现具有微纳结构表面的功能纤维的大规模制备。

文章来源： DeepTech深科技，夙烨，新民晚报