把握柔性电子技术发展机遇 助力“中国制造”走向“中国创造”

具有感知功能的智能机器人（图源自网络）

背景

作为本世纪的主导产业之一，以硅基半导体为支柱的电子信息行业对人类社会的发展产生了巨大的影响，并且许多新型电子产品的问世都深深地改变了人们的生产生活方式。然而随着电子技术的不断发展，新型电子元器件对材料的性能有了更高的要求。由于传统电子器件中硅基材料固有的刚性和脆性等缺点限制了其进一步的应用，因此亟需寻找一种柔韧性好、可延展的新型材料来替代传统硅基材料。于是为了适应未来电子元器件对材料的柔性化发展需求，许多科学家们不约而同地把目光瞄向了传统硅基电子材料的继承者——柔性电子材料[1-2]。

图1. 电子电路（图源自网络）

1 柔性电子技术的国内外研究进展

作为一种新兴的电子技术，柔性电子技术是将有机或者无机电子器件通过新型加工工艺沉积在柔性/可延性塑料或薄金属基板上形成电路的技术。相对于传统电子技术，其最大的特点在于用柔性基板取代了传统的刚性电路，从而显著提高了电子器件的折叠性、延展性和柔韧性[3]。

目前，在保证产品具有优异性能和使用安全的基础上，探索使用寿命长、制备工艺简便、成本低廉且易于规模化生产的柔性材料与器件是柔性电子技术发展的主要方向。作为最具有发展前景的电子技术之一，柔性电子相关材料与器件的产业规模也在以惊人的速度逐年增长。根据权威机构的预测，全球柔性电子产业规模将在2025年超过3000亿美元。因此，世界多国都争相投入大量的人力和物力，试图在这一前沿领域抢占一席之地。

2011年，日本成立了先进印刷电子技术研发联盟，并将柔性电子印刷技术作为发展的重点。而美国政府则在2012年正式将柔性电子作为先进制造十一个优先发展的尖端方向之一。我国也同样非常重视柔性电子技术的发展，并将柔性电子作为相关产业迅速发展的重要支撑，同时推动我国在传统电子信息领域的转型升级。近年来，我国的各大高校以及中科院研究所也先后建立了先进材料与柔性电子研究基地，在柔性电子技术的不同方向展开了深入的研究，并取得了许多丰硕的成果[4]。

迄今为止，柔性电子技术在生物医疗、柔性传感器、柔性显示、柔性可穿戴设备以及人工智能等领域展现出巨大的发展前景，而且其在航空航天和军事工业领域的应用潜力也在进一步被发掘。随着人造电子皮肤和新型薄膜太阳能电池概念的提出，柔性电子技术也在向着多功能化的方向发展。相信在不远的将来，以前我们只能在电影中见到的画面将会变成现实，人类社会也将迈入一个智能化的新纪元[5][6][7]。

图2. 柔性电子器件（图源自网络）

2 柔性电子材料与器件的相关研究

目前，针对各种功能的柔性和可拉伸材料的研究与应用是该领域关注的焦点。一般来说，直接使用具有柔性的功能材料实现电子器件的柔性化被认为是最简单和可操作的方法，因此如何将各种结构的有机、无机以及复合材料应用于柔性传感器等电子设备是研究人员所面临的关键问题之一。

高分子材料由于固有的弹性和可拉伸性能，在推动电子器件柔性化的进程中起到了无可替代的作用。以聚酰亚胺、聚乙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等为代表的高分子材料在柔性电子领域被广泛应用。为适应新一代柔性器件的发展潮流，开发响应度高、稳定性好、成本低廉的高分子材料逐步成为重点的发展方向[8]。

形状记忆聚合物是一种常见的具有变形功能的高分子材料，具有密度低、形变量高、价格便宜等优点。作为一种刺激敏感型智能材料，形状记忆聚合物可以通过改变自身的形状来响应特定的外界刺激，还可以通过控制其对不同外界刺激的响应程度从而实现材料的多功能化。

目前，基于形状记忆聚合物制备的复合材料在生物医疗、航空航天、人工智能以及仿生领域都得到了广泛应用[9][10]。2017年Yang等基于形状记忆聚合物聚氨酯和具有高光热转换效率的炭黑制备出了一种光响应形状记忆材料，通过调整材料中两种物质的重量比可以设计和制造具有不同形状记忆行为的器件。作者还展示了通过熔融沉积成型（FDM）技术打印的具有光触发形状记忆行为的向日葵，表明该研究工作有望在仿生智能设备和柔性机器人领域得到更广泛的应用[11]。2016年Zarek等开发了一种基于3D打印甲基丙烯酸酯大分子单体的灵活且简便的方法，制备具有高分辨率的形状记忆结构用于柔性和响应电路。为了证明该方法在响应式电子设备中的实用性，作者通过喷墨打印技术将独特的银纳米颗粒油墨印刷到由该形状记忆聚合物3D打印出的物体上制备了一种柔性温度传感器。这种制备形状记忆器件的方法为柔性机器人、微创医疗设备、柔性传感器以及可穿戴电子设备的开发提供了新的思路[12]。

无机材料在柔性电子领域具有广阔的应用前景，尤其是以石墨烯和碳纳米管为代表的纳米碳材料在柔性器件的研究上取得了许多突破性的进展[13]。石墨烯作为一种性能优异的二维纳米材料，兼具柔韧性好和结构稳定等优点，还具有良好的力学、电学和热学性能，因此其在微电子和柔性电子领域发挥着重要的作用，并被广泛应用于柔性电池和柔性传感器中[14]。

2017年Lv等设计了一种基于完全气泡超轻石墨烯块的超灵敏压力传感器，该传感器不但具有超低的密度和极好的弹性，而且还可以灵敏地检测到超出人体皮肤感知能力的极低压力，因此有望在超灵敏传感领域得到更深入的应用[15]。碳纳米管作为纳米碳材料的另一种典型代表，同样具有良好的电学、力学和热学性能。基于碳纳米管制备的柔性传感器具有较高的灵敏度和优异的稳定性，并在许多领域发挥了巨大的作用[16]。

2022年Hao等受光敏印章的启发提出了一种简单、低成本且环境友好的真空过滤-转移印刷方法（PS-VFTP），用于制备基于单壁碳纳米管的柔性电极阵列。这种柔性电极阵列可以被轻松地功能化为高性能的电化学传感器，用于同时监测汗液中的代谢物和电解质。通过与信号采集和处理电路系统集成，还能够使其在人体运动过程中实现无创、实时、原位的汗液分析。此外，这种策略具有较高的普适性，可以很容易地扩展到其他柔性电子设备的制造过程[17]。

图3. 无线人体可穿戴监测传感设备（图源自网络）

通常，无机半导体或金属材料具有优异的电学性能，但是它们的硬度较高、刚性较大、断裂应变较小且延展性较差，不利于制备可弯曲和拉伸的柔性电子器件。而有机高分子材料虽然具有优异的弹性和柔韧性，但是较差的电学性能也使得其无法成为理想的柔性电子材料。为了解决这一问题，一种可行的途径是在具有弹性的有机基体中混入刚性的无机颗粒从而构成综合性能良好的复合材料。

2017年Matsuhisa等通过混合微米级的银薄片、氟橡胶和表面活性剂制备出了一种可印刷和可拉伸的弹性导体。这种弹性复合材料在没有发生应变的情况下表现出了高于4000 S·cm-1的电导率。另外，作者还展示了用于可拉伸机器人的全打印传感器网络，即使拉伸超过250%也能准确地感应压力和温度。这种弹性导体有望为医疗保健、可穿戴设备和柔性机器人的开发提供大面积可拉伸的传感器或执行器网络[18]。2020年Liu等通过将PDMS作为柔性基体引入多孔PZT陶瓷的孔隙中制备了一种柔性压电复合材料。这种材料独特的梯度多孔结构提升了应力传递能力，并大大提高了机电转换效率。基于这种复合材料制备的压电纳米发电机的灵敏度与其它具有3D互连结构的压电纳米发电机相比具有显著优势，尤其是在能量收集、物联网、传感器和用于无线通信的便携式电子设备方面展现出极大的应用潜力[19]。

3 柔性电子技术的相关应用

受鱿鱼的触须、大象的鼻子以及人和动物的舌头等自然生物机械适应性的启发，具有柔韧性和自愈能力的柔性材料被广泛用于设计和制造柔性智能机器人。与传统的金属机器人相比，这些柔性智能机器人有望能够更好地感知环境信息并更有效、更轻松地实现与现实世界的交互。因此，柔性智能机器人作为设计和制造新一代机器人的技术发展方向，备受研究人员的关注。

2016年Yang等报道了一种具有出色的机械适应性和热灵敏度的柔性热传感器。该传感器是通过将含有羧基的单壁碳纳米管与基于氢键的热可逆自修复聚合物相结合制备而成的。聚合物中丰富的非共价氢键赋予了传感器优异的机械适应性，使其获得了可以在室温下短时间内重复修复自身的能力，而具有优异电性能的单壁碳纳米管的加入确保了其对温度的可重复电阻响应。这种具有机械适应性的柔性热传感器将在提高柔性人工智能机器人的使用寿命和降低热敏电子设备因高温而损坏的风险方面具有潜在的应用价值[20]。

图4. 柔性可穿戴振动响应传感器（图源自网络）

电子皮肤是机器人智能化和人机交互领域的重要研究对象，可广泛应用于仿生机器人、多功能可穿戴设备、医疗健康等领域。近年来，电子皮肤触觉传感器在柔韧性、高灵敏性以及多功能性等方面取得了突破性的进展，甚至在某些方面，电子皮肤触觉传感器的灵敏度、分辨率以及响应程度等特性超越了人体皮肤的感知范围。但与此同时，高额的成本、复杂的制备工艺和难以规模化生产等问题限制了电子皮肤的发展与应用[21][22]。

目前，电子皮肤多采用PDMS作为基底材料，而天然植物材料的应用为电子皮肤在材料选择、微结构制备工艺等方面提供了新的方案。2018年Wan等发现可以直接将包括叶子和花瓣在内的植物材料用作电容型电子皮肤的介电层。这种由植物材料制备的电子皮肤展现出较高的灵敏度、较宽的压力检测范围以及较长的使用寿命，可以被应用于监测人体运动、气体流量以及感知空间压力分布等方面。因此，这种经济、高效且环保的方法具有极大的发展潜力[23]。

近年来，3D打印技术在直接实现柔性传感器、可穿戴设备以及电子皮肤等复杂电子器件方面引起了极大的关注。相较于其它传统的加工手段，3D打印技术在制备具有复杂立体结构的柔性电子器件方面具有无可比拟的优势。这种具有高度灵活性的简单、低成本的增材制造技术已被广泛用于功能传感器的开发与应用[24]。2022年Cao等受人类皮肤双机械感受器协同策略的启发，通过3D打印技术制备了一种兼具极低的检测极限和较宽的检测范围的层压石墨烯压力传感材料。这种层压石墨烯压力传感材料显示出了优异的量化压力/重量的能力，是首次超出人体皮肤压力感受范围的碳基压力传感器。而且它不仅赋予了电子设备更出色的柔韧性和拉伸性，还证明了集成到大面积人造电子皮肤中的可行性。因此，该项研究工作将为智能机器人的高性能压力传感设备的开发提供一条极具前景的途径[25]。

图5. 具有远高于人体皮肤压力感知范围的机械手[25]

交互式人机界面（iHMI）是一种连接人类和机器的双向电子系统，它可以将人类的意图有效地传递给机器，使人类能够控制机器并收集来自机器的反馈信息。因此，交互式人机界面被认为是人和机器两者之间沟通的桥梁。在iHMI中，柔性压力传感器被认为是最重要的组件之一。常用的基于压电PZT和AlN等材料制备的压力传感器由于固有的脆性，因此与柔性基板不兼容，难以实现在弯曲条件下的测量。而基于高分子的压电传感器虽然具有良好的柔韧性，但其压电性能较差且灵敏度较低，所以也不是最合适的选择。2019年Deng等通过将PVDF与ZnO以特定比例混合，设计了一种基于豇豆结构的PVDF/ZnO纳米纤维材料，并将其用于制备柔性自供电压电传感器。由于兼有聚合物材料的弹性和ZnO优异的电学性能，这种压电传感器表现出了良好的柔韧性、高灵敏度和机械稳定性。此外，该传感器还可以在不同的曲面上贴合覆盖，实现准确的弯曲角度测量和快速识别，从而实现更加智能化的人机交互[26]。

未来的军事战场正在逐渐向信息化、数字化的方向转变，对于军用设备的要求也更加严苛。以智能可穿戴设备为代表的柔性电子器件由于体积小、质量轻、功能多样化等特点，在军事工业领域的应用也越来越广泛。为了满足现代化复杂的战场环境对军用电子设备的基本要求，性能高、质量轻的军事智能可穿戴设备的研发与运用是未来需要解决的重要问题。例如，将柔性可折叠显示器应用于军事可穿戴设备，能够大幅度降低士兵们的负重并提高佩带的舒适性，从而减小设备对士兵作战的影响。而使用柔性太阳能电池替代传统电池还可以提高军事设备的续航能力，从而解决士兵们在野外作战时电量供应不足的问题。因此，智能可穿戴设备预期将成为当代信息化战争不可或缺的利器[27]。

4 我国柔性电子行业的前景展望

随着我国国民经济和综合国力的迅速增长，国家对柔性电子行业的支持力度也在不断地加大，并希望在该领域内抢占先机，逐步掌握引领行业发展的主动权。近年来，以京东方、维信诺等平板显示企业为代表的国内品牌的崛起表明我国在柔性显示屏领域取得了巨大的进步。我国的小米、华为等智能手机品牌也相继发布了应用最新柔性电子技术的产品，引领了行业的潮流。例如，小米公司研发的MIX Alpha环绕屏概念手机一经问世就在整个行业内引起了轰动，其搭载的柔性OLED屏幕也是由国产供应商维信诺公司研发的最新产品。华为公司推出的折叠屏手机华为Mate X系列也风靡全球，受到了广大消费者的喜爱。而在国防科技创新领域，为了符合未来信息化战争的需要，柔性电子技术也将应用于提升军事装备与军事系统的智能化水平，并推动我国军工行业和航空航天的发展，服务于我国国防的现代化建设。

图6. 小米MIX Alpha环绕屏概念手机（图源自网络）

5 结束语

柔性电子技术是一种全新的电子技术革命。相对于传统电子器件，柔性电子器件在便携性、可穿戴性以及生物相容性等方面具有显著的优势，因此被视作今后电子信息技术发展的主要方向。随着柔性电子皮肤、柔性薄膜太阳能电池和柔性显示屏等柔性电子器件的大规模产业化应用的潮流来临，柔性电子技术不但会给相关产业带来革命性的变化，而且将更深入地服务于人们的生产和生活。作为世界各国争相发展的前沿技术，大力发展柔性电子技术等核心科学领域与战略性新兴产业，是我国加快建设科技强国的重要途径之一，也是我国在颠覆性科技上自主创新、引领未来发展的重要战略机遇，将有助于我国由传统制造业向科技创新领域转型。我国应该牢牢把握这个千载难逢的契机，深入开展柔性电子技术的研究，自主研发并掌握关键核心技术，以确保在该领域逐步占据主导地位。相信柔性电子行业将成为驱动我国迈向创新强国的新引擎，推动我国由制造业大国向科技强国的转变，让“中国创造”代替“中国制造”成为我国的一张亮丽的新名片。