中国科学家首创万能热缩电子皮肤，加热即贴合，怎么扭曲都不坏

给飞机、机器人甚至水果“穿”上一层电子皮肤，科学家做到了。

近期，中国科学院理化技术研究所国瑞研究员、清华大学深圳国际研究生院汪鸿章助理教授和天津大学黄显教授联合团队，发明了一种“热缩”制造新方法，成功将一种新型的半液态金属电路印制在热塑性薄膜上，加热后能让电路紧密包裹到任何形状的物体表面，并随热缩膜同步变形，有效解决了传统刚性材料在基底变形过程中的电路失效问题。

值得关注的是，这种形状自适应电子器件具有高耐用性，即使经过 5,000 次弯曲和扭曲循环，导电性变化也极小。

国瑞告诉 DeepTech：“此前的方法需要根据物体形状提前对电路进行改造和设计，而我们新方法不仅简化了制造步骤，还降低了成本，能够自动贴合各种形状与表面，如同为物体穿上了一层电子皮肤，并具备良好的适应性。”

审稿人对该研究评价称：“一系列实际应用展示了该方法在应用层面的潜力。这项研究为共形电子器件的制造提供了一条替代路径，对于可穿戴电子设备的发展具有重要意义。”

（来源：Nature Electronics）

相关论文以《基于热塑性薄膜上印刷的液态金属电路的形状自适应电子器件》（Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films）为题发表在 Nature Electronics[1]。

从液态金属到电子皮肤：一次关于“包裹万物”的尝试

国瑞的主要研究方向是液态金属的柔性电子。近年来，随着智能机器人、具身智能方向的火热，一个想法在他脑中萦绕：能不能将柔性电子与人体器官表面信号的监测结合起来？

但要实现这种结合有一个必须攻克的难题，无论是机器人还是生物体都是一个三维曲面，需要将柔性电子制备在人工关节、智能头盔、汽车弧形触控面板等三维物体的表面，即共形电子。

此前已有相关研究对该方向进行了探索，但一方面，这些共形电子电路对于基底材质存在限制，另一方面，一些方法还可能还会对基底造成一定损伤。

研究团队希望开发出一种更简单、低成本的方法，能够突破对基底的限制，并在更多材质表面制备柔性电子。

图丨研究团队主要成员（来源：受访者）

在研究初期，研究人员试图用 3D 打印的方式，将液态金属打印在三维物体表面。但要实现精确控制喷头在三维物体表面的运动，需要成本高且操作复杂的专业设备。

一次偶然的机会，团队成员在生活获得启发：无论瓶身是方形还是圆形，矿泉水瓶上的薄膜都能适应地包裹在物体表面。更重要的是，这种材料不仅使用普遍，成本也低。

于是，研究人员马上联想到：是不是可以将液态金属的电路先制作在某种薄膜上，然后再将薄膜依靠自身变形，利用热缩特性机械包覆在物体表面。如果得以实现，既可以不受基底材质限制，也可以满足成本较低的要求。

这项研究之所以能实现“包裹万物”的三维曲面电子器件，半液态金属功不可没。但这一切并非水到渠成，而是经过研究人员的探索后逐渐确立的方案。

此前，研究人员通常采用镓和铟的合金作为液态金属制备电子器件，尽管液态金属的导电性和变形拉伸能力高，但研究团队很快就发现，对于三维物体的电路来说，由于液态金属流动性强，容易受到重力影响。

为解决该问题，他们在镓和铟的合金中掺杂了一些固态金属颗粒——微米级铜颗粒。这样，液态金属变成一种介于液体和固体之间、流动性较低的复合物金属铜-镓铟（Cu-EGaIn）。

（来源：Nature Electronics）

然而问题接踵而来，研究人员发现半液态金属会导致不均匀性。为解决该问题，他们采用了类似丝网印刷的方法，先在液态金属预涂一层粘结底胶，再利用胶水将半液态金属尽可能均匀地铺设在 PVC 聚氯乙烯热缩膜的表面。

国瑞解释道：“它的独特之处在于提高了在曲面上的稳定性。与纯液态金属相比，其导电性提高了 30%。铜颗粒会拉住这些液态金属，让它流动性显著降低。并且，避免了液态金属在三维表面时受重力影响出现流动，以及变得不均匀的情况。”

随后，当薄膜被加热到其玻璃转化温度区间（约 57-70.6°C）时，其内部因预拉伸而储存的内应力得以释放，驱动薄膜均匀收缩，紧密包裹在目标物体表面，例如球体、飞机模型、机器人手臂和水果表面等。

研究中的另一个重要挑战是提升半液态金属与基底的粘附性。当半液态金属往热缩膜上印刷时，研究人员发现了粘附性较差的问题。在对比了多种具有粘附性的中间媒介进行基底粘附性调控后，他们选用了聚丙烯酸甲酯（PMA）胶水，其优点是成本较低、操作相对容易，并且弹性强，能够与热缩膜共同发生变形。

“它可以直接灌注在比较小的注射针管里，再用 3D 打印机把它一点点挤出来。当它被挤到基底后，由于水分挥发，胶水可以迅速在基底上固化成膜。”国瑞表示。

最终，经过热风枪或热水浴的短暂加热，带着电路的薄膜实现了自适应地贴合在三维物体上，形成共形电子器件。整个过程快速、简便，成本低，并且无需复杂昂贵的设备。

下一步：让机器人真正拥有“电子皮肤”

现有的柔性电子制备技术，例如 3D 打印、激光直写通常在比较光滑的物体表面，并且激光直写可能会损伤物体的表面，导致损伤基底本体、改变基底原有性能。

与这些柔性电子制备技术相比，新技术对基底材质种类的限制和损伤都相对较小，无论是光滑、粗糙还是湿润的表面，都无需额外干燥处理即可实现物理包覆。相比激光直写，其对基底的热损伤和表面损伤更小。

研究团队展示了这项技术在多个领域应用的潜力，例如 3D 打印不同材质的物体、飞机或船舶的曲面表面、水果蔬菜等物体的表面，以及机器人和生物医学领域等。

（来源：Nature Electronics）

据了解，相关论文发表后，已有相关公司或单位联系研究团队，希望将技术与具体需求结合。例如，将传感器包裹在某物体上监测特定的信号，或通过核磁共振监测中的线圈监测信号等。

国瑞认为，通过机器人表面共形电路实现智能化，是一个相对广阔的商业落地转化方向。“我们的技术对物体形态没有特定的限制，能够将传感器制备在各种型号机器人的表面，涵盖工业机器人、人形机器人和四足机器人等。”

未来，研究团队希望深入研究高密度、高精度的传感器阵列，并进一步探索三维物体上的制造工艺。此外，研究人员还计划将电路的精度推进到微纳尺度，以更好地在机器人触觉或者植入式电子器件等领域应用。

参考资料：

1.Jiang, C., Li, W., Wu, Q. et al. Shape-adaptive electronics based on liquid metal circuits printed on thermoplastic films. Nat Electron (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01528-6

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成