當前，輕巧、可變形的柔性材料被視為智能化電子產(chǎn)品的關鍵突破口，有望催生眾多創(chuàng)新應用。然而，傳統(tǒng)剛性電路的理論極限和柔性電路性能低下，制約了柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展。
近日，斯坦福大學化學工程教授Zhenan Bao在《自然》雜志上發(fā)表最新研究成果，刷新了過往柔性電子產(chǎn)品的紀錄。
據(jù)悉，新開發(fā)的本征可拉伸電路的速度是以前本征可拉伸電子器件的數(shù)千倍，晶體管的數(shù)量是以前的20倍。并且它們在皮膚狀盲文閱讀傳感器陣列中的應用，比人類指尖更敏感。
性能飛躍，打破紀錄
一般來說，柔性電子器件有潛力用于任何需要與軟材料相互作用的應用，例如佩戴在身體上或植入體內(nèi)的設備，包括皮膚計算機、軟體機器人和腦機接口等。
然而，傳統(tǒng)的電子器件是由諸如硅和金屬之類的剛性材料制成的，將它們鑲嵌在塑料薄膜上雖能獲得一定柔性，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。而斯坦福團隊的創(chuàng)新在于開發(fā)出了“本征可拉伸”的電路。
他們采用高純度半導體碳納米管作為通道材料、金屬鈀涂層碳納米管作為電極、高導電性可拉伸鎵銦合金作為互連線路。通過降低寄生電容和互連電阻等限制因素，新型晶體管即使在拉伸狀態(tài)下也能保持極高的工作速度。
具體來說，他們制造出的集成電路面積約28平方毫米，集成了1056個晶體管和528個邏輯門，工作頻率超過1兆赫茲。這一數(shù)據(jù)遠超以前最佳的內(nèi)在可拉伸電路，后者最多只集成54個晶體管和14個邏輯門，工作頻率僅330赫茲。
此外，新型可拉伸晶體管的場效應遷移率(反映電荷在器件內(nèi)流動速度)平均高達每秒20平方厘米/伏特，即使在拉伸狀態(tài)下也不會大幅降低，電氣性能比以前提高約20倍。驅動電流更是達到2毫安/微米，超過以往可拉伸設備40倍以上，與當前將碳納米管、金屬氧化物或多晶硅與塑料薄膜結合在一起的最先進的柔性晶體管大致相同。
性能的飛躍式提升實屬難能可貴，有望推動柔性電子產(chǎn)品走向實用化應用階段。
先進應用，前景廣闊
為展示新型可拉伸電路的實際應用前景，研究團隊構建了一個僅8平方毫米的觸覺傳感器陣列。這一微型陣列擁有每平方厘米擁有2500個傳感器，是人類指尖機械感受器密度的10倍以上，能夠精確識別小于1毫米的幾何形狀。
據(jù)悉，這一陣列可集成于假肢、矯形器等設備，提供關于壓力分布、肌肉活動和關節(jié)運動等反饋信息，同時也可應用于手勢識別、運動捕捉等人機交互領域。
寫在最后
盡管新型可拉伸電路性能出眾，但其規(guī)?；a(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
從材料和工藝角度來看，雖然都與現(xiàn)有制造工藝兼容，但仍需要一些調(diào)整和改進，特別是在電子元件的封裝技術方面，這將直接影響新型電路的使用壽命和可靠性。
隨著人工智能、5G通信、物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件等新興技術的融合發(fā)展，傳統(tǒng)電子產(chǎn)品正面臨智能化新挑戰(zhàn)。而在此背景下，柔性電子產(chǎn)品正是契合未來智能生活方式的理想選擇，具有廣闊的應用前景。
柔性電子產(chǎn)品或有望成為智能可穿戴設備的主力硬件。借助高度可變形的柔性電路和傳感器陣列，這些可穿戴設備能夠精準采集人體運動、生理和環(huán)境數(shù)據(jù)，為健康監(jiān)測、運動分析、虛擬現(xiàn)實等應用提供直觀體驗。
并且，傳統(tǒng)的剛性機器人存在安全隱患且缺乏人性化，而具有柔軟靈活本質的軟體機器人則可避免這些問題。依托新型可拉伸電路和智能材料，軟體機器人能實現(xiàn)精細動作控制，在家庭服務、醫(yī)療護理等場景大顯身手。此外，高度可變形的柔性電子產(chǎn)品也有利于創(chuàng)新人機交互方式，如全身涂覆式電子皮膚、可拉伸投射顯示屏等，將為虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實體驗注入全新活力。
總的來說，柔性電子技術與人工智能、機器人等技術融合共進，將成為未來智能社會的重要支撐，助力人機共生的科幻場景成為可能。
來源：OFweek機器人網(wǎng)
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