在可穿戴設備、柔性電子和軟體機器人快速發(fā)展的今天，如何讓電子器件在拉伸、彎曲甚至扭曲的復雜環(huán)境中依然穩(wěn)定工作，成為制約行業(yè)發(fā)展的關鍵難題。盡管柔性傳感器、軟電極等終端器件不斷進步，但它們之間的“連接方式”卻始終存在短板：傳統(tǒng)金屬導線剛性強、易疲勞斷裂，而液態(tài)金屬雖柔軟卻缺乏結構穩(wěn)定性，難以實現(xiàn)可靠互連。這一“最后一公里”的連接難題，正成為柔性電子邁向實際應用的核心瓶頸。

今日，香港城市大學于欣格教授團隊提出一種三維可拉伸核–殼結構電纜（3D-SCSC），實現(xiàn)了柔性電子連接技術的重要突破。這種電纜不僅具備高達800%的拉伸能力和近乎不變的電阻特性，還兼具可圖案化、可回收（回收率95%）以及抗噪聲能力，成功打通了軟-硬電子系統(tǒng)之間的穩(wěn)定連接路徑，并在可穿戴生理信號監(jiān)測等場景中展現(xiàn)出優(yōu)異性能。相關成果以“A three-dimensional stretchable core–shell cable for soft and hybrid electronics that is patternable, recyclable and noise-resistant”發(fā)表在《Nature Electronics》上。Pengcheng Wu為第一作者。

從結構設計出發(fā)：讓“軟導線”既能拉又能導

作者首先從結構設計入手，提出一種類似“電纜束”的三維導電體系（圖1a）。研究團隊將液態(tài)金屬作為“核心導電相”，嵌入彈性體SEBS形成“核–殼結構”（圖1b）。這種設計巧妙地將導電與力學性能解耦：液態(tài)金屬負責導電，而彈性體提供機械支撐，使材料既柔軟又穩(wěn)定。從微觀結構來看（圖1c），液態(tài)金屬顆粒在SEBS基體中形成互聯(lián)網絡，這種“連續(xù)導電路徑”在拉伸過程中可以動態(tài)重構，從而避免傳統(tǒng)導體因幾何變形導致電阻劇烈變化的問題。正是這種結構，使得材料在拉伸至600%甚至800%時，電阻變化僅約0.6 Ω（圖1d）。更重要的是，該材料可以通過激光切割實現(xiàn)任意圖案化（圖1f），不僅能用于自由懸空的三維電子結構（圖1g），還可以連接軟硬電子模塊（圖1h），甚至構建貼附皮膚的網狀電極（圖1i）。此外，其廢料還能通過簡單化學處理回收液態(tài)金屬與聚合物（圖1j），體現(xiàn)出綠色制造潛力。

圖1：3D-SCSC的結構設計與基本性能，包括核–殼結構、導電網絡及圖案化與回收能力。

從實驗室到規(guī)模化：柔性電纜也能“工業(yè)制造”

在材料可行性之外，團隊進一步驗證了該技術的制造潛力（圖2）。通過溶液澆筑與熱壓工藝，研究人員成功制備出A4尺寸的大面積材料（圖2a），以及長達約50米的連續(xù)柔性電纜（圖2b），這意味著該技術具備工業(yè)放大的基礎。不僅如此，該材料還能制成類似傳統(tǒng)排線的“柔性帶狀電纜”（圖2c），并兼容現(xiàn)有電子接口，實現(xiàn)與商業(yè)設備的無縫對接。通過不同長度（3–9 cm）和不同針腳（6–12針）的設計（圖2d），展現(xiàn)出高度的應用靈活性。在力學性能方面（圖2e），3D-SCSC的楊氏模量僅約0.9 MPa，遠低于傳統(tǒng)彈性體，使其更加柔軟；同時最大拉伸應變可達800%。更關鍵的是，其電阻對形變幾乎“不敏感”（圖2g），甚至在拉伸初期還會因液態(tài)金屬顆粒融合而降低電阻（圖2f）。耐久性測試進一步證明了其可靠性：在2000次循環(huán)拉伸（圖2i）、摩擦（圖2k）、壓力（圖2j）以及高溫環(huán)境（圖2l）下，性能幾乎不受影響。即便被打孔破壞（圖2n），仍能保持導電和拉伸能力，這種“抗破壞性”在柔性電子中極為罕見。

圖2：材料的規(guī)模化制造與力學、電學性能測試，展示其高拉伸性與穩(wěn)定性

打破連接瓶頸：軟硬電子真正“連起來”

柔性電子的核心問題之一，是如何讓軟材料與剛性芯片穩(wěn)定連接。研究團隊展示了3D-SCSC在這一方面的優(yōu)勢（圖3）。傳統(tǒng)“硬-硬接觸”往往是點接觸，而“軟-硬接觸”則能形成更大的接觸面積（圖3b），顯著降低接觸電阻。實驗表明，該電纜通過簡單的瞬間膠即可與銅箔、金屬薄膜或碳布等材料連接，并在拉伸過程中保持穩(wěn)定電學性能（圖3c–e）。更直觀的演示來自LED電路：研究人員用3D-SCSC連接貼片LED（圖3h），構建出無需基底支撐的柔性電路（圖3k）。即使在300%拉伸下，LED仍能正常發(fā)光（圖3l）。在更復雜的混合電路中（圖3m），僅用3D-SCSC替換部分銅導線，整體電路的斷裂應變提升了18倍（圖3o），同時電阻變化依然極小（圖3n），并可穩(wěn)定工作超過2000次循環(huán)（圖3p）。

圖3：3D-SCSC與多種電子材料的連接能力及在柔性電路中的應用。

從“導線”到“系統(tǒng)”：可穿戴電子的新形態(tài)

在系統(tǒng)層面，研究團隊構建了一個無基底、可拉伸的LED顯示陣列（圖4a）。該系統(tǒng)由3D-SCSC電極網絡、LED陣列和控制電路組成，并通過Arduino實現(xiàn)動態(tài)顯示（圖4b）。該顯示陣列不僅可以拉伸、彎曲和扭轉（圖4c），還可以貼合球面或人體關節(jié)（圖4d）。在膝蓋彎曲過程中，顯示圖案“CITYU”依然穩(wěn)定呈現(xiàn)（圖4g），說明其具有優(yōu)異的形變適應能力。更關鍵的是，在不同方向拉伸下，LED輸入電壓幾乎不變（圖4e,f），證明整個系統(tǒng)在復雜形變中依然保持穩(wěn)定電學性能。

圖4：基于該電纜構建的可拉伸LED顯示陣列及其在復雜形變下的穩(wěn)定表現(xiàn)。

終極應用：抗干擾生理信號監(jiān)測

傳統(tǒng)心電（ECG）和肌電（EMG）監(jiān)測中，導線往往是噪聲的主要來源。人體運動時，導線與電極之間的微小位移就會嚴重干擾信號。研究團隊將3D-SCSC用于生理信號采集（圖5a）。結果顯示，在拉伸至300%時，該電纜依然能夠穩(wěn)定傳輸清晰的心電信號（圖5f），而傳統(tǒng)導線在拉伸后幾乎立即失效（圖5e）。更令人驚訝的是，即使在觸碰、摩擦等干擾下，信號質量也幾乎不受影響。這種“抗噪聲能力”源于其柔軟結構能夠吸收機械擾動，從根本上減少界面不穩(wěn)定。在肌電測試中（圖5h），不同握力（20 lb、30 lb、40 lb）產生的信號可以清晰區(qū)分，且頻譜分布穩(wěn)定（圖5i）。即使在測試過程中對電纜打孔（圖5j），信號僅短暫波動，隨后迅速恢復，體現(xiàn)出極強的魯棒性。

圖5：在生理信號采集中表現(xiàn)出的抗干擾能力與穩(wěn)定信號傳輸性能。

總結與展望

總體來看，這項研究通過“核–殼結構”設計，成功將液態(tài)金屬的高導電性與彈性體的機械穩(wěn)定性結合，打造出一種兼具超高拉伸性、低電阻變化、強界面適應性和可回收性的柔性電纜體系。更重要的是，該技術不僅停留在材料層面，而是貫穿了制造、連接、系統(tǒng)集成與實際應用，構建出完整的柔性電子解決方案。從可穿戴醫(yī)療到軟體機器人，從電子皮膚到智能織物，這種“不會掉鏈子”的電纜，有望成為下一代柔性電子系統(tǒng)的關鍵基礎。未來，隨著液態(tài)金屬顆粒尺寸進一步縮小、加工精度提升，該技術還有望向微米尺度發(fā)展，為更高密度、更復雜結構的柔性電子系統(tǒng)提供支撐。