极端制造 | 微纳结构金属电极：从柔性电极迈向超薄软表皮电极的进展

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作者

朱昊然§，刘皓耿§，Jeong Ho Cho*，刘贵师*

机构

暨南大学，延世大学

Citation

Zhu H R, Liu H G, Cho J H, Liu G S. 2026. Nano/micro-engineered metallic flexible electrodes: advancing the era of epidermal electronics. Int. J. Extrem. Manuf.8012003.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae02ca

撰稿 | 文章作者

文章导读

具有二维微纳结构的金属（图1（a）-（f）)通过几何结构设计与复合材料集成，金属柔性电极（FEs）展现出极强的多功能性，可广泛应用于柔性光电子学、表皮电子学、能源器件及生物传感器等领域。人体皮肤是生理过程无创检测与刺激的理想平台，但皮肤微拓扑结构、动态形变及代谢活动仍使FEs的稳定工作面临根本性挑战。

暨南大学刘贵师团队联合延世大学Jeong Ho Cho教授，在 SCI 期刊《极端制造（英文）》发表了题为 “Nano/micro-engineered metallic flexible electrodes: advancing the era of epidermal electronics” 的文章，系统梳理金属网格（MMs）、金属纳米线（MNWs）、液态金属（LMs）三类FEs的制备策略，聚焦超薄软表皮电极（U-SEEs）的原位与转移制备等新型工艺（图1（g）-（j）)以及其在皮肤应用场景中的集成方式（图1（k）-（o）)，为表皮电子的临床转化提供关键参考。

图1从FEs到柔性SEEs的制备技术及表皮应用示意图。

图文解析

1. 金属网格电极

图2MMs的三种主要制造策略：规则模板制造、不规则模板制造以及无模板制造。

MMs既展现出高导电性，又能保持良好的柔性与透明性。使用传统微纳工艺（以光刻技术为主）制造的规则图案MMs高分辨率高、光电特性可调谐并且宽高比优异，仍是柔性光电子器件的主流选择，基于溶液的制造技术为规则图案模板的制备提供了高效途径（图 2 （a））。为简化制备流程并降低设备成本，研究人员采用受自然图案启发的仿生模板，来制备不规则MMs，具备大规模制备潜力（图 2 （b））。此外，激光直写与微型增材制造技术生产作为生产MMs的无模板方法在快速成型及多孔电极、多层结构等复杂器件方面优势显著（图 2 （c））。

2. 金属纳米线电极

图3图案化、捆绑以及取向的有序MNWs结构。

将随机分布的MNWs组装成有序结构可以显著提高其电子输运性能，同时还具有出色的拉伸性、光学透射率、热管理和电磁屏蔽性能。图案化方法可大致分为自上而下和自下而上两种策略（图 3 （a）-（b））。前者依赖蚀刻、超声波或机械剥落来完善图案；后者侧重于在制造过程中直接将MNWs组织成预定义的结构。一种基于高原-瑞利不稳定性（当固体棒被加热至高温时，出现起伏变形，通过最小化表面能碎裂成纳米颗粒）的新方法用于在MNW网络中创建微图案。由于尺寸效应， MNWs对微观力高度敏感。这些力可通过策略性调控，将金属纳米线组装成纳米环、纤维、多孔微网、规则图案等结构。金属纳米线成束结构不仅具有低结电阻和优异的机械稳定性，还能通过提高孔径比改善光学透明性（图 3 （c）-（e））。取向MNWs薄膜展现出更高的拉伸性与导电性，交叉取向的MNWs还能缓解导电性与光学透光率之间常见的权衡关系（图 3 （f）-（g））。

3. 液态金属电极

图4液态金属图案化的两大策略：块状液态金属的图案化以及液态金属颗粒的图案化。

LMs 低熔点，有优异导电性、流动性和自愈能力，适合可拉伸、皮肤兼容电极，但高表面张力、高流动性及易氧化的特性给传统图像化带来挑战（图4（a）-（b））。为了解决或利用这些特性，（1）块状LM的直接图案化和（2）LM颗粒的图案化已经得到了一定的发展。块状 LM 通过基底结构化或表面改性、氧化层工程、研发复合材料实现传统案化，也可利用模具、微流控通道及与金属的反应性浸润制备或间接图案化。液态金属颗粒可通过自下而上（如化学还原、热分解）和自上而下（如超声、剪切、微流控）方法制备，需表面改性提升稳定性与分散性，改性后的 LMP 油墨兼容性好且衍生出新图案化工艺。

4.软表皮电极皮肤应用的进展

图5SEE可靠和舒适的关键。(a)增强附着力和可拉伸性使SEE的可靠性得以提高。(b)降低弯曲刚度，包括改善柔软度和超薄设计，同时使SEE的可靠性和舒适性得以实现。(c)增强透气性和透明度，使视觉系统更加舒适。

在SEE和人体之间建立可靠的机械和电气连接的关键是在动态运动下保持与皮肤的保形接触。这可以通过降低SEE的弯曲刚度（图5（b））和增强SEE与蒙皮之间的界面韧性（图5（a），顶部）来实现。软导电材料，用于制造具有低弯曲刚度的SEE（图5（b），左）。厚度是调节固有刚性材料弯曲刚度的关键因素，因为它与厚度的立方成正比。由微纳固体金属制成的超薄SEE可以有效降低弯曲刚度（图5（b），右）。此外，可拉伸性是一个关键的性能指标，可确保在动态运动过程中SEE和蒙皮之间的保形接口稳定，实现强大的电连接（图5（a），底部）。SEE应表现出类似皮肤的机械性能，以确保穿着舒适（图16（b））。透气性是另一个受皮肤启发的特性，对长期穿着至关重要（图16（c），顶部）。

4.1超薄表皮电极的制造

图6超薄软表皮电极的制造策略：原位制造、衬底辅助转移、无衬底转移以及响应性转移。

原位制造是指在无需外部衬底或框架的情况下，将U-SEEs直接附着于皮肤表面的方法。由于 U-SEEs 在皮肤表面原位形成，因此能贴合皮肤的微观结构与毛发，避免转移失败（图6（a）-（c））。转移制备技术包括衬底辅助转移与无衬底转移是将预先制备好的U-SEEs转移至皮肤表面。可兼容FEs的先进制备工艺，从而能更好地调控U-SEEs的性能与功能（图6（d）-（g））。响应性转移是指在额外刺激（如温度、水、电）作用下， U-SEEs自动附着并包裹生物组织的过程。该方法无需缝合即可实现与神经的稳定、微创附着，从而降低神经损伤风险（图6（i））。

4.2基于超薄软表皮电极的电学皮上应用

图7基于超薄软表皮电极的电学皮上应用：生物电传感、电刺激以及能量收集。

生物电传感以皮肤表面检测到的、反映器官生理活动的生物电信号（心电、脑电、肌电、眼电）为核心，广泛应用于医疗健康、运动训练、人机交互， U-SEEs 相比于传统设备，具有更低的电极 - 皮肤界面阻抗、更强的抗运动伪影能力及更优的长期佩戴舒适性（图 7 （a）-（d））。电刺激通过施加电脉冲激活神经或肌肉，应用于伤口愈合、肌肉康复、触觉反馈，而 U-SEEs 因更优的贴合性与低侵入性，可提升电刺激效率（图 7 （e）-（f））。 针对人体运动产生的生物力学能量（及环境能量），摩擦纳米发电机与压电纳米发电机能够实现能量收集（图 7 （g）-（h）），为自供电电子器件供能。

总结与展望

该综述回顾了从微纳尺度 FEs 加工到皮肤上 U-SEEs 制造与应用的进展，总结材料制造策略与特性，介绍 U-SEEs 制造及应用，同时指出诸多核心挑战，包括LM 的泄漏与集成难题、FEs 导电性与可拉伸性的权衡、制造技术规模化瓶颈、SEEs 与皮肤界面不稳定及复用性差、软-硬电子集成的机械与界面矛盾等；最后展望 AI 与虚拟现实技术将为 FEs 可穿戴设备开辟健康监测、医疗康复等新领域，未来需发展整合传感、储能与无线通信的多功能 SEEs，且 AI 赋能将实现预测分析与自适应反馈，推动个性化医疗等场景落地，助力智能互联与生活质量提升。

图8FEs和SEEs面临的挑战和前景。

作者与团队简介

刘贵师

暨南大学

暨南大学副教授。主要研究方向为柔性电极、SPR生物传感、穿戴式传感系统及其健康管理应用研究。以一作/通讯作者在Nano Letters、Small、Biomaterials、Biosensors & Bioelectronics等国际权威期刊发表论文30余篇，获授权发明专利10余件。主持国家级项目2项、省部级等项目7项。现任国际信息显示学会（Society for Information Display, SID）北京分会技术委员、中国微米纳米技术学会高级会员、Materials Futures期刊青年编委等。

刘皓耿

暨南大学

本文共同第一作者，将于暨南大学物理与光电工程学院光电工程系攻读博士学位，主要从事可穿戴柔性电子研究。

朱昊然

暨南大学

本文共同第一作者，现于暨南大学物理与光电工程学院光电工程系攻读硕士学位，主要从事可穿戴柔性电子研究。

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关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，中国机械工程学会极端制造分会会刊，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子21.3，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 编辑：梁煜 审核：范珂艳 关利超

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