当前，轻巧、可变形的柔性材料被视为智能化电子产品的关键突破口，有望催生众多创新应用。然而，传统刚性电路的理论极限和柔性电路性能低下，制约了柔性电子产品的发展。
近日，斯坦福大学化学工程教授Zhenan Bao在《自然》杂志上发表最新研究成果，刷新了过往柔性电子产品的纪录。
据悉，新开发的本征可拉伸电路的速度是以前本征可拉伸电子器件的数千倍，晶体管的数量是以前的20倍。并且它们在皮肤状盲文阅读传感器阵列中的应用，比人类指尖更敏感。
性能飞跃，打破纪录
一般来说，柔性电子器件有潜力用于任何需要与软材料相互作用的应用，例如佩戴在身体上或植入体内的设备，包括皮肤计算机、软体机器人和脑机接口等。
然而，传统的电子器件是由诸如硅和金属之类的刚性材料制成的，将它们镶嵌在塑料薄膜上虽能获得一定柔性，但拉伸能力十分有限，其拉伸程度通常只有正常尺寸的1%左右。而斯坦福团队的创新在于开发出了“本征可拉伸”的电路。
他们采用高纯度半导体碳纳米管作为通道材料、金属钯涂层碳纳米管作为电极、高导电性可拉伸镓铟合金作为互连线路。通过降低寄生电容和互连电阻等限制因素，新型晶体管即使在拉伸状态下也能保持极高的工作速度。
具体来说，他们制造出的集成电路面积约28平方毫米，集成了1056个晶体管和528个逻辑门，工作频率超过1兆赫兹。这一数据远超以前最佳的内在可拉伸电路，后者最多只集成54个晶体管和14个逻辑门，工作频率仅330赫兹。
此外，新型可拉伸晶体管的场效应迁移率(反映电荷在器件内流动速度)平均高达每秒20平方厘米/伏特，即使在拉伸状态下也不会大幅降低，电气性能比以前提高约20倍。驱动电流更是达到2毫安/微米，超过以往可拉伸设备40倍以上，与当前将碳纳米管、金属氧化物或多晶硅与塑料薄膜结合在一起的最先进的柔性晶体管大致相同。
性能的飞跃式提升实属难能可贵，有望推动柔性电子产品走向实用化应用阶段。
先进应用，前景广阔
为展示新型可拉伸电路的实际应用前景，研究团队构建了一个仅8平方毫米的触觉传感器阵列。这一微型阵列拥有每平方厘米拥有2500个传感器，是人类指尖机械感受器密度的10倍以上，能够精确识别小于1毫米的几何形状。
据悉，这一阵列可集成于假肢、矫形器等设备，提供关于压力分布、肌肉活动和关节运动等反馈信息，同时也可应用于手势识别、运动捕捉等人机交互领域。
写在最后
尽管新型可拉伸电路性能出众，但其规模化生产仍面临诸多挑战。
从材料和工艺角度来看，虽然都与现有制造工艺兼容，但仍需要一些调整和改进，特别是在电子元件的封装技术方面，这将直接影响新型电路的使用寿命和可靠性。
随着人工智能、5G通信、物联网、智能硬件等新兴技术的融合发展，传统电子产品正面临智能化新挑战。而在此背景下，柔性电子产品正是契合未来智能生活方式的理想选择，具有广阔的应用前景。
柔性电子产品或有望成为智能可穿戴设备的主力硬件。借助高度可变形的柔性电路和传感器阵列，这些可穿戴设备能够精准采集人体运动、生理和环境数据，为健康监测、运动分析、虚拟现实等应用提供直观体验。
并且，传统的刚性机器人存在安全隐患且缺乏人性化，而具有柔软灵活本质的软体机器人则可避免这些问题。依托新型可拉伸电路和智能材料，软体机器人能实现精细动作控制，在家庭服务、医疗护理等场景大显身手。此外，高度可变形的柔性电子产品也有利于创新人机交互方式，如全身涂覆式电子皮肤、可拉伸投射显示屏等，将为虚拟现实和增强现实体验注入全新活力。
总的来说，柔性电子技术与人工智能、机器人等技术融合共进，将成为未来智能社会的重要支撑，助力人机共生的科幻场景成为可能。