电路的柔性未来

科学家们正在进行各种尝试,将更多形式的可自由伸缩弯曲的柔性电路应用于各种领域中,最终的目标是实现将电路内嵌到衣服中甚至是身体中.

多年来,工程师一直梦想着创建一种可任意伸缩和弯曲的电路,而不再是固定在刚性芯片和线路板上.柔性电路能够完成许多刚性电路无法完成的任务.伸缩型电子皮肤可连接检测手与神经系统.如果士兵在爆炸中受伤,具有可伸缩轻型传感器的作战服和头盔可帮助卫生员进行更好的治疗.通过与大脑脑回整合在一起的电路,神经科学家可实时观察癫痫发作时大脑中出现的电子风暴.另外,使用柔性电路,便携设备将具有更好的弹性,可像衣服或珠宝一样穿戴在身上.

研究者正在寻求各种可令电路更具柔韧性的方法.刚性芯片和电路板进行大规模生产时成本很低,因此它们并不会很快消失.关键在于,找到适当的方式,可整合刚性和柔性电路元件,以及为柔性电路找到最具前途的应用.

柔性电路开发最主要的难题在于：单晶硅是刚性的,而微处理器和射频芯片等高性能元件使用的正是这种材料.2006年,伊利诺伊大学香槟分校材料科学家约翰罗杰（JohnRoger）找到一种方式,可拉伸单晶硅而不会发生断裂.天然硅自身不可进行伸缩,诀窍在于加工处理：厚度必须非常薄,达到100纳米左右（纳米为十亿分之一米）.罗杰博士指出只要足够薄,任何材料都是可伸缩的.我们可以随意揉搓一张纸,但木板不行.

罗杰博士只是该领域的中科学家们的代表之一,如今该领域中的研究有了很多新的进展.

柔性策略

罗杰博士和同事共同开发了两种拉伸方式,可利用柔性超薄硅材料制成电路.在第一种方式中,超薄硅板被转印到类似橡胶的黏性材料上,并且这种材料已经过拉伸.释放该材料之后,硅褶皱不会破裂,形成一种人字形图案.利用这一原理,罗杰博士使用晶体管、逻辑门和振荡器设计了完整的电路.

第二种电路拉伸方式是将刚性硅做成独立的小点,然后利用具有弹性的连线将其连接在一起.这些独立点小到足以承受少量的张力,同时连接线的设计方式可承受任何形式的拉伸,例如,这些连线形状是突出平面之外的弧型或者弹簧似的螺旋状.

近期,罗杰博士和同事展示了一款眼球状的摄像头.该摄像头使用了上述第二种硅岛的方式,通过镜头弧度和硅传感器阵列的改变来进行缩放操作.罗杰博士指出,大多数摄像头中所用的平面传感器阵列会产生扭曲,而使用弯曲的传感器阵列匹配弧形镜头则可以减少这种扭曲.

可伸缩硅还有另一种用途：制造新型医疗设备,降低某些疗程的侵袭性.《自然材料》杂志最近有一篇论文介绍了罗杰博士的一个项目.该项目配备一种可用于血管成形术的标准气囊导管,并使用传感器阵列和射频电路.与用于消除阻塞的惰性气囊不同,这种配备了传感器的导管可监测血流、温度、血压和身体内的电子活动.另外,无线供电电极还可根据需求对人体组织进行燃烧或腐蚀.

在2010年12月份,罗杰博士创建的位于麻省剑桥的MC10公司宣称与运动服装制造商锐步成为商业伙伴.目标是开发一种服装,用以监测身体冲击、关节损伤和运动员步态,以及心率、血压和汗液pH值.虽然用于监测运动员心率的穿戴式设备已经存在,但MC10希望传感器能够融入到衣服中.另外,该公司还在研究可计算附近爆炸强度的作战服和头盔,以及监测心脏健康状况的柔性传感器薄板.

今年年末,罗杰博士带领的团队将发布一篇有关人工薄膜的论文.通过这种薄膜,可将柔性传感器电路转印到患者皮肤上,用来生成心电图.罗杰博士将这种薄膜比作临时文身.另外,他还在研究一种舒适的电极薄板,可在神经手术中监测患者大脑中的电子活动,还可用于跟踪疾病突发情况,或监测运动神经和语言中枢.“我们能够做很多事情.”罗杰博士说：“只要是能够抓住的机会,我们就不会放过.”

有机材料

对于电子元件,高质量单晶硅可能是最为知名的制造材料,但并非唯一的一种材料,也不是唯一一种可制成不同形状的材料.洛桑联邦理工大学研究员斯特法妮拉库尔（StéphanieLacour）在柔性材料上将有机晶体管作为压力传感器,包括用作可伸缩电子皮肤的硅橡胶.有机晶体管,顾名思义,由精细分层的有机材料制成,而不是蚀刻到刚性的硅晶体中.这种晶体管虽然可进行伸缩,但没有硅晶体管那么小而快.不过拉库尔博士指出,对于传感元件,不需要进行非常快速的切换.

这种柔性材料可缠绕在义肢上,通过连接截肢者神经系统的传感器中的电子信号传递知觉.拉库尔博士与移动巨头诺基亚合作,制造了一款原型传感器,其中包含轻薄的、可伸缩的触感薄膜.这种传感器用在弯曲型上可替换键盘,或用于柔性袖口上对设备进行控制.许多移动所用的有机电激光显示（OLED）,其生成方式同样可用于制造拉库尔博士的柔性电子皮肤.

大学的TakaoSomeya是电子皮肤的先行者之一,他利用橡胶垫上有机晶体管制造了一种柔性电路.他希望在机器人身上使用可感皮肤,以便更好地感知周围环境.另外,他还演示了一种在柔性表面工作的OLED.在最近发表在《自然材料》上的论文中,他和同事TsuyoshiSekitani提供了一些技巧,可确保有机电路在极度变形后仍然能够工作.背垫所用材料必须尽量光滑,并且电路密封在一层由“聚合物-金属-聚合物”构成的表层之下.他们称,这些技巧可令柔性电路的曲率半径低至0.1毫米以下,换句话可以像纸一样折叠,并且不会破损.

与此同时,普林斯顿大学的西格德瓦格纳（SigurdWagner）开发了一种有机光学设备,其中包含用在柔性橡胶表面上的有机激光器.相对于由镓或铟化合物制成的传统激光器,有机激光器并没有那么强劲,不过它们可简便地打印或附着在任何类型的表面上.在瓦格纳博士的激光器中,生成激光的有机层附着在预先拉伸的橡胶表面上.拉伸力消除之后,形成一种波纹状的表面,而拉伸材料布不同,波纹之间的空隙也不同,从而可生成不同颜色的激光.

无论是细小的硅晶体点,还是有机电路或者两者的组合,相应的柔性设备都需要电能方可运行.奥地利林茨约翰开普勒大学软物质物理学教授西格弗里德鲍尔（SiegfriedBauer）指出,柔性电子需要柔性电池.去年,他的团队推出一种基于锌碳化学作用的新型电池,并且这种电池具有伸缩性.这种柔性电池利用弹性聚合物（称为弹性体）,并结合导电膏,可在电池电极之间传送充电微粒.

另外,鲍尔博士还在研究一种可充电的柔性电池.他的团队正在寻找利用柔性材料的方式,以便捕获那些使材料变形的能源并将其转化为电能―这种想法称为“能源采集”.例如,鞋子或衣服通过穿戴者的运动采集能源,从而为设备提供电能.

另外,还可以将太阳能电池做成可伸缩的柔性形式.罗杰博士和其同事正在研究一种称为砷化镓的半导体材料,这种材料通常是不可进行伸缩的.他提出,将橡胶基片划分为沟槽隔开的方块,并且在橡胶拉伸时将刚性砷化镓小点转移到这些方块上.这些小型太阳能收集器可使用方块间沟槽上的形成桥连接的电线连接在一起,并且当橡胶处于放松状态时,桥连接与方块扣紧在一起.这样可防止刚性砷化镓元件因拉伸而受损,同时作为一个整体,系统具有柔性并且是可伸缩的.

简而言之,逻辑电路、输入传感器、输出显示和电源都可做成柔性形式.今天的传统电子非常廉价并被广泛使用,因为它们可在极度高效的工厂里进行大批量生产.柔性电子尚到达这一程度.柔性橡胶腕带型移动,附着在皮肤上的智能文身,或者可随身体自由弯曲的移植物,这些物品的出现可能尚需一段时日,但研究者已经迈开了走向这种新型设备的第一步.