可穿戴與可植入設備是人體運動(dòng)監控、健康監控以及人機交互等技術(shù)的基礎，在智慧醫療和智能機器人等萬(wàn)億級產(chǎn)業(yè)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化，發(fā)展柔性乃至彈性磁電功能材料與器件是核心與關(guān)鍵。然而，一般來(lái)說(shuō)磁電功能材料多為金屬或氧化物等無(wú)機材料，其柔韌性差；柔性或彈性材料多為高分子材料，通常不具備磁電功能。如何將磁電功能材料柔性化或彈性化，或者將柔性或彈性材料功能化是該領(lǐng)域的一大挑戰。為此，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所磁性材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗室磁電子材料與器件團隊圍繞導電和磁性等功能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材料、導體與傳感器等方面取得了系列進(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納米或微米量級的導電填料（石墨烯、碳納米管、金屬納米線(xiàn)/納米顆粒等）摻入到彈性聚合物中，通過(guò)分散復合或層積復合等方法處理后得到具有導電功能的多相復合體系。由于固態(tài)導電填料與彈性基體的彈性模量相差很大（約100萬(wàn)倍），大應變時(shí)構成導電通路的填料顆粒間隙會(huì )發(fā)生明顯變化，造成導電性能不穩定；此外，固態(tài)導電填料的大量引入會(huì )提高導電材料的導電性，同時(shí)也會(huì )惡化其彈性，導致?lián)诫s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。
為解決上述問(wèn)題，博士生郁哲、研究員尚杰和李潤偉等采用液態(tài)金屬作為導電填料，同時(shí)在導體內構建“葫蘆串”狀導電網(wǎng)絡(luò )結構來(lái)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夠達到導體范疇（大于1000S/cm），并可以實(shí)現超過(guò)1000%的拉伸，更為重要的是，拉伸100%時(shí)電阻的波動(dòng)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(gè)量級，實(shí)現了可拉伸導體大應變下的穩定性。如圖1a所示。該成果以底封面文章發(fā)表在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為墨水，搭建了直寫(xiě)式打印機，實(shí)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，具有良好的熱穩定性。該項工作為柔性可穿戴電子器件制備提供了新的材料和技術(shù)。該成果發(fā)表在Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 3, 1800435）上。
（二）綠色環(huán)保的可回收柔性紙基電路
柔性電路是一種創(chuàng )建在柔性基板上的特殊電路。目前其應用還存在著(zhù)兩大挑戰：一是疲勞特性差，多次循環(huán)應變下易斷裂失效；二是不能循環(huán)利用，傳統焚燒、酸洗等回收方式污染環(huán)境。針對上述挑戰，博士生李法利、副研究員劉宜偉和研究員李潤偉等在紙上制備了液態(tài)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(wèn)題，而且可回收（圖2為用回收前后的液態(tài)金屬制備的電路），實(shí)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(xiàn)寬在10μm-200μm間可調，且通過(guò)多達10000次的對折測試發(fā)現，該電路電阻的最大變化率僅為4%，具有很好的應變穩定性。此外，該紙基電路具有良好的散熱功能。實(shí)驗顯示，在液態(tài)金屬基紙基電路工作的LED燈相對于純紙表面的LED燈溫度有顯著(zhù)降低。該工作為發(fā)展綠色可回收的柔性電路提供了新的方法，成果發(fā)表在Advanced Materials Technologies（Adv. Mater. Technol. 2018, 1800131）上。
（三）數字化的柔性觸覺(jué)傳感器
讓假肢產(chǎn)生觸覺(jué)是眾多殘疾人的夢(mèng)想，而電子皮膚正是這樣一種可以讓人體假肢產(chǎn)生觸覺(jué)的系統。但大多數的電子皮膚只能將外力刺激轉換成模擬信號，無(wú)法像人體皮膚一樣將外力刺激轉換成生理脈沖，并精確地傳送給神經(jīng)系統直至大腦。針對這一問(wèn)題，博士生巫遠招、副研究員劉宜偉和研究員李潤偉巧妙地采用電感-電容（LC）振蕩機理設計電路（如圖3a），當外界應力/應變引起電感值發(fā)生變化時(shí)，LC電路的頻率就會(huì )發(fā)生變化，從而獲得外加應力/應變與頻率的對應關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化LC共振電路，便可使其工作在人體的生理脈沖頻率范圍內。此外，還設計了“Air gap”結構（如圖3a），采用非晶絲作為磁芯提高其性能，獲得了靈敏度為4.4kPa-1、探測極限為10μN（相當于0.3Pa）的數字化柔性觸覺(jué)傳感器件（如圖3b），并且通過(guò)優(yōu)化傳感器的模量和結構，可以兼容寬的探測范圍，既可感知微弱的蚊蟲(chóng)和脈搏，亦可以感知搬舉重物時(shí)的壓力。該工作為發(fā)展數字化仿生電子皮膚提供了一種新的方法。該成果發(fā)表在《科學(xué)》子刊Science Robotics（Sci. Robot. 2018, 3, eaat0429）上。
上述工作得到國家杰出青年科學(xué)基金（51525103）、科技部中日政府間國際合作項目（2016YFE0126700）、國家自然科學(xué)基金（61704177, 11474295, 61774161）和寧波市創(chuàng )新團隊（2015B11001）等的支持。
