可穿戴與可植入設備是人體運動監控、健康監控以及人機交互等技術的基礎，在智慧醫療和智能(néng)機器人等萬億級産業上具有巨大的應用前景，其發(fā)展趨勢是柔性化，乃至彈性化以及多功能(néng)化，發(fā)展柔性乃至彈性磁電功能(néng)材料與器件是核心與關鍵。然而，一般來說磁電功能(néng)材料多爲金屬或氧化物等無機材料，其柔韌性差；柔性或彈性材料多爲高分子材料，通常不具備磁電功能(néng)。如何將(jiāng)磁電功能(néng)材料柔性化或彈性化，或者將(jiāng)柔性或彈性材料功能(néng)化是該領域的一大挑戰。爲此，中科院磁性材料與器件重點實驗室磁電子材料與器件團隊圍繞導電和磁性等功能(néng)材料的柔性化和彈性化開(kāi)展研究工作，在柔性和彈性磁電功能(néng)材料、導體與傳感器等方面(miàn)取得了系列進(jìn)展。

　　（一）大應變的彈性導電材料和彈性加熱器件

　　可拉伸導電材料通常是將(jiāng)納米或微米量級的導電填料（石墨烯、碳納米管、金屬納米線/納米顆粒等）摻入到彈性聚合物中，通過(guò)分散複合或層積複合等方法處理後(hòu)得到的具有導電功能(néng)的多相複合體系。由于固态導電填料與彈性基體的彈性模量相差很大（約100萬倍），大應變時構成(chéng)導電通路的填料顆粒間隙會發(fā)生明顯變化，造成(chéng)導電性能(néng)不穩定；此外，固态導電填料的大量引入會提高導電材料的導電性，同時也會惡化其彈性，導緻摻雜量有限，因此它的導電性一般較差。如何獲得兼容高電導率、拉伸穩定性和大應變的彈性導體仍是一項挑戰。

　　爲解決上述問題，博士生郁哲、尚傑研究員和李潤偉研究員等采用液态金屬作爲導電填料，同時在導體内構建“葫蘆串”狀導電網絡結構來釋放應變，進(jìn)一步提高它的應變穩定性。結果表明，該可拉伸導電材料的導電性能(néng)夠達到導體範疇（大于1000S/cm），并可以實現超過(guò)1000%的拉伸，更爲重要的是，拉伸100%時電阻的波動小于4%，比傳統可拉伸導電材料電阻的變化率降低了2-3個量級，實現了可拉伸導體大應變下的穩定性。如圖1a所示。該成(chéng)果以底封面(miàn)文章發(fā)表在了Advanced Electronic Materials（Adv. Electron. Mater. 2018, 4, 1800137）上。進(jìn)一步，采用上述可拉伸導電材料作爲墨水，搭建了直寫式打印機，實現了此材料在彈性基底上的直接打印和圖案化設計，如圖1b所示，設計打印出的彈性加熱器件，具有良好(hǎo)的熱穩定性。該項工作爲柔性可穿戴電子器件制備提供了新的材料和技術。該成(chéng)果發(fā)表在了Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 3, 1800435）上。

　　（二）綠色環保的可回收柔性紙基電路

　　柔性電路是一種(zhǒng)創建在柔性基闆上的特殊電路。目前其應用還(hái)存在著(zhe)兩(liǎng)大挑戰：一是疲勞特性差，多次循環應變下易斷裂失效；二是不能(néng)循環利用，傳統焚燒、酸洗等回收方式污染環境。針對(duì)上述挑戰，博士生李法利、劉宜偉副研究員和李潤偉研究員等在紙上制備了液态金屬基柔性電路，替代傳統的銅、鋁、銀等電路，不僅解決了其彎折疲勞性差的問題，而且可回收（圖2爲用回收前後(hòu)的液态金屬制備的電路），實現了紙基電路在制造、使用、回收等全生命周期的綠色化。電路線寬在10μm-200μm間可調，且通過(guò)多達10000次的對(duì)折測試發(fā)現，該電路電阻的最大變化率僅爲4%，具有很好(hǎo)的應變穩定性。此外，該紙基電路具有良好(hǎo)的散熱功能(néng)。實驗顯示，在液态金屬基紙基電路工作的LED燈相對(duì)于純紙表面(miàn)的LED燈溫度有顯著降低。該工作爲發(fā)展綠色可回收的柔性電路提供了新的方法，成(chéng)果發(fā)表在了Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 1800131）上。

　　（三）數字化的柔性觸覺傳感器

　　讓假肢産生觸覺是衆多殘疾人的夢想，而電子皮膚正是這(zhè)樣(yàng)一種(zhǒng)可以讓人體假肢産生觸覺的系統。但大多數的電子皮膚隻能(néng)將(jiāng)外力刺激轉換成(chéng)模拟信号，無法像人體皮膚一樣(yàng)將(jiāng)外力刺激轉換成(chéng)生理脈沖，并精确地傳送給神經(jīng)系統直至大腦。針對(duì)這(zhè)一問題，博士生巫遠招、劉宜偉副研究員和李潤偉研究員巧妙地采用電感-電容（LC）振蕩機理設計電路（如圖3a），當外界應力/應變引起(qǐ)電感值發(fā)生變化時，LC電路的頻率就會發(fā)生變化，從而獲得外加應力/應變與頻率的對(duì)應關系，進(jìn)一步通過(guò)優化LC共振電路，便可使其工作在人體的生理脈沖頻率範圍内。此外，還(hái)設計了“Air gap”結構（如圖3a），采用非晶絲作爲磁芯提高其性能(néng)，獲得了靈敏度爲4.4kPa^-1、探測極限爲10μN（相當于0.3Pa）的數字化柔性觸覺傳感器件（如圖3b），并且通過(guò)優化傳感器的模量和結構，可以兼容寬的探測範圍，既可感知微弱的蚊蟲和脈搏，亦可以感知搬舉重物時的壓力。該工作爲發(fā)展數字化仿生電子皮膚提供了一種(zhǒng)新的方法。該成(chéng)果發(fā)表在了《科學(xué)》子刊Science Robotics（Sci. Robot. 2018, 3, eaat0429）上。

　　上述工作得到了國(guó)家傑出青年科學(xué)基金（51525103）、科技部中日政府間國(guó)際合作項目（2016YFE0126700）、國(guó)家自然科學(xué)基金（61704177, 11474295, 61774161）和甯波市創新團隊（2015B11001）等項目支持。

圖1 (a)具有葫蘆串導電網絡結構的液态金屬可拉伸導體；(b)基于液态金屬可拉伸導體的彈性加熱片；(c)論文封面(miàn)

圖2 用回收前後(hòu)液态金屬制備的電路性能(néng)對(duì)比

圖3 (a)數字化柔性觸覺傳感器的原理圖；(b)傳感器分辨0.3Pa的微壓力；(c)器件随壓力改變的脈沖響應；(d)器件示意圖

　　（磁材事(shì)業部 巫遠招、郁哲、李法利）