“概括来说，本研究旨在提供一种自由曲面激光加工的新工艺，以在任意复杂曲面上制备三维保形电子。”美国密苏里大学哥伦比亚分校机械与航空航天工程系副教授，对于他和团队的一项新成果做出如上概括。
该工艺可用于无人机的柔性剪应力传感器、液位传感器、建筑结构监测传感器、物联网和大数据分析等。同时，课题组也期望探索自由曲面激光工艺的商业化可能性。
近年来，作为三维曲面中的重要一员，保形电子因其在复杂曲面易于贴合、以及兼具传统微电子器件的性能等优势，已被广泛用于表皮电子学、健康监测、机器人电子皮肤和汽车智能玻璃等场景。
尽管二维平面的微观制造工艺，已在三维曲面保形电子上取得一定进展，但仍存在电子器件与三维曲面难以完全贴合、信号收集难、信号收集不稳定等缺点。
因此，学界一直聚焦于研发更为先进的制备工艺，此前已涌现出一些新型三维曲面保形电子制备工艺，比如气溶胶喷涂、3D 增材制造、铸造和应力诱导组装等。
在柔性可伸缩聚合物的表面，借助这些工艺可以加工出电子器件，然后通过转移印花、热/真空一体成型和水印转移等技术，将电子器件转移到三维曲面上。
然而，该团队通过文献调研发现，以上技术依旧存在诸多缺点，这极大限制了它们在三维曲面保形电子的广泛应用。因此，亟需开发一种步骤精简、无需掩模、且贴合精度高的工艺。
使用自由曲面激光，开发三维曲面保形电子
研究中，他们将目光转向激光直写工艺上，其优势在于无需掩模、就能快速制备器件。
在硬件搭建上，激光直写技术不仅成本低廉，还能高效批量地制备性能均一的电子器件，并能进行多种前驱体的制备，包括激光诱导石墨烯、金属及其合金、金属氧化物/硫化物等纳米功能材料。故其在传感器、和能源存储等领域，具备巨大的应用前景。
据悉，课题组之前已有多年积累，曾首次发现激光诱导石墨烯 [1]、以激光合成的方式研发过渡金属硫化物的电催化剂 [2]、制备了基于激光的可重复编程的磁性响应软材料 [3]、以及实现了基于激光平台的金属有机框架的高效自主合成 [4]。
不过他们发现，尽管在二维平面材料的制备上已经得心应手。但是，基于传统线性运动的激光直写技术，却无法在三维曲面实现保形电子。
主要原因在于：激光光束无法实时地垂直于三维曲面，这会导致激光点发生形变，从而影响功率输出，进而导致器件的性能不均。
此次工作中，他们将多轴机器人平台的高机动性、与激光直写技术结合，开发了基于五轴联动的自由曲面激光直写工艺（Direct Freeform Laser）。
它的优势在于：既能确保激光束聚焦、且垂直于三维曲面，还能保留激光加工的材料选择灵活性。
验证完曲面器件的性能之后，基于激光诱导石墨烯、金属及其氧化物等材料，该团队使用自由曲面激光，开发了三维曲面保形电子。
对于其在温度/紫外线/氨气传感器、超级电容器和无线传输电路上的可靠性，该团队也进行了验证。最后，他们将应变传感器和人工智能进行结合，展示了在智能家居上的应用潜力。
近日，相关论文以《三维稳定电子器件》（）为题，发表在 Advanced Functional Materials 上[5]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Functional Materials）
郑卜静达是第一作者，密苏里大学机械与航空航天工程系谢运超博士、以及教授担任共同通讯作者。
源起：茶歇时的头脑风暴
据介绍，本次研究是几位论文作者，在茶歇时头脑风暴出来的。鉴于在现代消费电子领域的巨大应用前景，三维曲面保形电子已成为一个前沿研究的领域。
许多学者都致力于攻克三维曲面保形电子的制备工艺，并取得了不错的进展，但是仍存在诸多缺点。
表示：“我在做博后研究时，曾首次发现了激光诱导石墨烯，它是由激光直写技术快速制备而成。当我自己成立课题组之后，一直在此领域继续深挖。”
但是，对于复杂曲面尤其是曲率变化表面，人们依旧“束手无策”。为了把激光直写技术扩展到三维曲面保形电子，他和团队讨论能否让平台实现五个自由度，这样让激光可以在任意复杂曲面上聚焦。
想法有了，接下来便是平台搭建。为了降低搭建难度、以及控制成本，课题组决定在商业化 3D 打印机的基础上进行升级改造。
首先，他们在 X 轴上，增加绕 X 和 Z 轴的输出正交旋转轴，使得平台拥有五个自由度。其次，将打印挤出头替换为蓝光激光模块，借此作为激光直写技术的末端执行器。
最后，将原有挤出控制器、替换为开源的 Arduino 与 Ramps 组合套件，通过写入五轴 CNC（Computer Numerical Control，计算机数值控制）机床固件，并配合电脑端上位机，借此实现五个步进电机和激光模块的同步控制。
这样，经过升级改造后的五轴联动激光平台，可以分别沿着 XYZ 三轴做线性运动、以及绕 XZ 两轴做转动，从而确保激光束始终垂直于复杂曲面。
图 | 五轴联动的自由曲面激光系统与各类功能材料及其应用示例（来源：Advanced Functional Materials）
然后便是材料表征，在这一步他们分别使用三轴激光与五轴联动激光，在三维曲面制备激光诱导石墨烯，结果发现五轴联动激光平台更能灵活地应对曲率变化的三维曲面。
其还发现，在不同曲率表面的激光诱导石墨烯，具备一致的拉曼光谱和电阻。
接着，在不同材质和粗糙度的表面上，他们制备了激光诱导石墨烯，让自由曲面激光技术的普适性得以验证。
图 | 五轴联动激光系统在制备激光在不同曲面和粗糙度上制备激光诱导石墨烯（来源：Advanced Functional Materials）
最后一步，则是制备四种曲面保形的电子传感器：
使用自由曲面的激光技术，研究人员在天然贝壳的表面，基于不同的前驱体，制备出能够探测温度和紫外线的银电极，此为第一种电子传感器。
同时，他们还造出一种二氧化钼电极，它能测量氨气的浓度，这是第二种电子传感器。
此外，其还制备了一种无线传输银电路，它可以集成控制器和光面电阻，此为第三种电子传感器。
另一款则是激光诱导型石墨烯超级电容器，可用于电化学储能，这是第四种电子传感器。
最后，在仿真植物上，研究团队集成了基于激光诱导石墨烯的应变传感器，结合人工智能算法之后，他们发现能用于探测室内风速和风向的变化，从而为物联网智能家居的应用设计提供新思路。
图 | 激光诱导石墨烯的多应变传感器与人工智能算法结合之后，可用于测量风速和风向，在智能家居领域具备应用潜力（来源：Advanced Functional Materials）
总结来看，此次推出的自由曲面激光直写工艺，在三维曲面保形电子有着巨大的优势：
其一，可将三维曲面保形电子的制备步骤，简化为一步激光直写，让保形电子与复杂曲面实现完全贴合；
其二，既能处理聚合物、天然木材、金属、金属氧化物等材料，又能在具有不同粗糙度的凸凹面上处理；
其三，由于该制备工艺可被轻易地复现，故对于保形电子领域的科研人员，该成果能够提供切实可行的解决方案。
至少具备 6 大应用前景
除了学术价值之外，该技术也具有较强的普适性，能在以下领域施展能力：
第一，可用于无人机柔性剪应力传感器。当在无人机的前缘，安装剪应力传感器阵列，就能监测前缘涡流的分离线，从而研究无人机升力的变化。
这时，使用自由曲面激光技术，即可在无人机表面快速、无掩模地制备出剪应力传感器阵列，既能有效地简化制备转移步骤，又能有效地贴合无人机表面，从而缓解信号收集难的问题。
第二，可用于液位传感器。液位传感器能对特定容器内液位的变化情况，进行实时探测，从而做出对应的变化。而自由曲面激光技术可在复杂曲面，直接制备出印刷电路，并集成相应的电子元器件，以帮助液位传感器实现指示控制等功能。
这种液位传感器还可用于智能鱼缸。当有水被泵入水箱时，传感器会在水位上升时记录当前水位，同时点亮发光二极管以指示水位；当鱼缸装满时，电路会感应水位并停止水泵运转；当水位下降到特定高度时，传感器会发生指令，让水泵开始运转、直至到达特定高度。
第三，可用于电子仿生皮肤/可穿戴设备。电子皮肤，是指能够模仿人类或动物皮肤功能的柔性可拉伸电子器件，目前已广泛用于医疗领域，比如收集温度、出汗量与心电图等重要生理信号。
当使用自由曲面激光工艺时，在已涂有前驱体的表面，可以直接加工制备电子皮肤。这种完全贴合的电子皮肤，确保能采集到更保真的生理信号。
第四，可用于建筑结构监测。建筑结构的健康监测，主要用在土木、铁路和核电站等基础设施。这些设施的表面和内部，会发生缓慢的结构损坏。
当使用该工艺时，则可起到防范衍生的公共安全事故、降低维护和维修的成本。具体来说，在这类基础设施的表面，借助该技术可以制备出一种应变传感器，它能够集成温度、湿度、压力、无线传感和电池，以便长期检测基础设施的结构安全。
第五，可用于环境信号监测。构建高效环境监测系统，有助于完善环境污染的预防和治理，而这需要大量的精准型传感器。
对于传统电子器件来说，均是先制备、后放置在环境里。而该团队提出的工艺，可以利用自然界中大量存在的贝壳礁石等，将各类传感器集成到贝壳表面，既可以有效利用自然资源，又能和环境完全融合。
比如，在海边的礁石里放置能够感测温度、湿度、盐度和压力的传感器，从而实时监测环境变化和潮汐规律等。
第六，可用于物联网和大数据分析。课题组表示：“物联网、大数据、计算机和移动通信，是信息时代的四大巨头。”
物联网通过传感器、驱动器和空间分布式设备，将网络拓展到了物理领域。随着电脑硬件的不断升级，将大数据结合物联网、以及人工智能，可以进一步提高人类生活品质。
大数据预测的准确程度，取决于所获得数据类别的广泛性、以及数据的准确性。而使用此次工艺，可以在各种环境下的基底上制备传感器，从而保证数据类别的广泛性。
此外，传感器的高保形贴合度也能保障数据的可信度。结合人工智能模型和硬件设备，该技术可以让物联网与大数据分析更上一层楼。
后续，为进一步提高自由曲面激光工艺的实用性，课题组将从以下四个方面努力：
第一，升级自由曲面激光平台的硬件，借此提高平台的定位精度；第二，充实可加工材料库，例如金属合金与金属硫/氧/氮化物，从而扩展三维曲面保形电子的应用范围；第三，通过开发控制程序，来应对曲率变化带来的激光通量变化，进而提高三维曲面保形电子的加工质量；第四，集成不同的末端执行器，以研究不同工艺的加工可能性。
参考资料：
1.2014 Nat. Commun.5, 5714
2.2016 J. Mater. Chem. A4, 6824
3.2020 Nat. Commun.11, 6325
4.2021 ACS Appl. Mater. Interfaces13, 53485
5.Zheng, B., Zhao, G., Yan, Z., Xie, Y., & Lin, J. (2022). Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics. Advanced Functional Materials, 2210084.