隨著增強現實（AR）、虛擬現實（VR）、工業物聯網、智能監測需求的增加，可穿戴設備和機體植入物將會獲得更加廣泛的應用。而隨著應用場景複雜程度的增加，未來人們對於可穿戴設備的要求也越來越高，電子化的織物、軟體機器人、可拉伸的電子產品等新興技術領域，將是下一代可穿戴和植入材料和設備的主要發展和應用方向。與當今基於剛性硅材料技術的電子設備不同，可承受彎曲、摺疊、皺起和拉伸的電子功能材料或電子設備，能夠適應幾乎所有類型的結構形狀，並提供獨特的功能，這是傳統電子功能材料和技術難以實現的。近年來，柔性的電子材料和裝置發展迅速，據美空軍研究實驗室（AFRL）2019年10月3日消息，AFRL的研究人員最近開發出了一種全新的液態金屬網絡系統。
該系統可以使得導體在拉伸狀態下自主改變結構，同時還能保證原有的導電性能不受影響，更好的響應外部應變。AFRL認為，這種可拉伸導體有望在可穿戴設備中發揮重要作用。一、項目研發背景——傳統導體再拉伸作用後導電性能降低
在常見柔性可穿戴設備的可拉伸部位中，其中的關鍵組件就是導體，導體就像一條寬敞的“高速公路”，負責快速的傳遞電信號，實現可穿戴設備的各項功能。目前，為了讓這條“高速公路”的通暢運行，已經採取了幾種不同的策略進行可穿戴設備的製造，它們通常分為兩大類：一種是改變可穿戴設備的結構設計，採取更具可拉伸性的外部結構，例如採用織物結構或彎曲的基材結構；另一種就是利用可拉伸的導體材料，例如聚合物導體等。
但是，大多數導體，如常見的銀或銅，都是剛性的，它們在拉伸斷裂之前，斷裂伸長率不會超過2%。而其他可拉伸的導體，例如聚合物複合材料或導電聚合物，其在拉伸的作用下固有性能改變——導體的電導率降低，電阻增加。這是由於，導體受到拉伸作用時，由於塑性原因導致導體增長，原本寬敞的“高速公路”由於外部原因變成了“狹長、彎曲的小路”，原本可迅速通過的電流不得不放慢速度，同時還要通行更長的距離，即造成我們所看到的導電性能降低，電阻增加。一般來說，設備中出現了這樣的情況，需要採取外部措施進行電流補償，例如，測量設備發生應變時內部的電阻變化，然後再通過實時改變電流的輸入和施加的電壓等方式，適應和補償該變化。但這種方式使結構變得複雜，應用場景受限，
大大降低了可穿戴設備的應用便捷度。近年來，液態金屬的發展為解決導體拉伸後導電性能降低的問題帶來了一種新穎的、有前途的設計策略。基於上述原因，2018年，美空軍科研辦公室提供基礎研究經費，要求AFRL開展可拉伸液態金屬導體的研發工作。
二、AFRL開發新型液態金屬網絡
2019年10月3日，AFRL科學家宣佈研發出了一種被稱為“聚合液態金屬網絡”（Poly-LMNs）材料，它採用液態鎵合金外覆氧化物的方式製造而成。Poly-LMNs最大的特點是，隨著導體在承受拉伸後增長，其電導率會增加。導體在被拉伸至原始長度的700%時，仍可自主“消化”產生的應變，使得拉伸前後的導體測量電阻幾乎保持不變，保持原本的導電性能。實現這一功能主要原因是源於材料內部自動組織性的納米結構，它可自主對應變做出反應。
AFRL開發了聚合液態金屬網絡，並將其設計成為一種高度可拉伸的導體，可隨應變變化自主提高電導率（美空軍研究實驗室圖片）
AFRL該項目的首席研究員克里斯托弗·塔博爾博士表示，這種材料製成的導體對拉伸應變的反應與人們通常見到的導體特性完全相反。在進一步瞭解其中的主要原因前，研究人員對液態金屬系統進行試驗，並觀測到了與傳統金屬導體完全相反的響應現象，實驗結果出乎意料。
除導電性能，AFRL研究人員還用類似可加熱手套形狀的可穿戴設備評估了這種材料的熱性能。研究人員通過持續手指活動測量裝置的熱響應，發現手套可在施加恆定電壓的情況下保持接近恆定的溫度。這與目前的最新的可拉伸加熱裝置不同——由於應變會導致電阻變化，現有的加熱裝置仍會造成大量的熱能損失。有關液態金屬系統的更多的性能特點和材料製造細節，AFRL的柔性材料與工藝團隊已通過最新一期《先進材料》期刊中《機械響應聚合液態金屬網絡》（Mechanoresponsive Polymerized Liquid Metal Networks）一文進行了詳細論述。
三、Poly-LMNs的製造和實現原理
使用液態金屬作為可拉伸導體可以從根本上改變了傳統可拉伸導體電路中最常見的失效現象：在傳統的可拉伸電路中，固態導體本身往往會首先發生機械斷裂失效，使得整個系統斷電失效；與之相反，當使用液態金屬代替時，集成導體的外部基材往往是首先發生機械故障的部位，但導體仍能保持正常工作狀態，整個系統仍能正常工作。
領導這項工作的克里斯托弗·塔博爾博士表示，Poly-LMNs主要基於以下概念設計：以單個液態金屬顆粒為基點，通過化學連接各個基點形成網絡，實現導體特性。其製造的過程大致如下：首先將單個鎵合金液態金屬顆粒封裝在合金顆粒表面自然形成的氧化包覆殼體中形成單體單元；然後，以單體單元為基點，通過加入化學配體發生聚合過程，將每個單體單元逐個以化學鍵的方式連接起來，最終形成包含液態金屬、氧化物外殼和聚合物連接的金屬聚合物網絡。
值得注意的是，如果缺少液態金屬表面包覆的氧化物殼體以及能夠將氧化物化學結合在一起的配體，液態金屬顆粒將無法形成網絡，只會保持單個孤立金屬顆粒，也就無法提供導電路徑。
當外部施加拉伸應力時，機械應變從外部基材傳遞到整個Poly-LMNs導體上，相互連接的液態金屬顆粒承受應力被拉伸，導致外部包覆的殼體撕裂，液態金屬溢出，原本稀疏的聚合物網絡結構因金屬的溢出變成了更加緻密金屬-聚合物導體，使得發生應變部位的電導率迅速提升。經過測試，Poly-LMNs中的顆粒破裂並釋放出液態金屬後，電導率迅速增加108倍。這種連接形式保證了整個液態金屬系統既具有導電性、又能保持固有的可拉伸性。
聚合液態金屬網絡的形成和工作原理示意，在金屬網絡形成和工作的不同階段對液態金屬顆粒進行描述。顆粒為反應性核-殼液態金屬粒子，外部氧化物被含丙烯酸酯的磷酸配體官能化（左1），顆粒通過丙烯酸酯的聚合物相連，形成高度交連的聚合物網絡（左2）。但拉伸作用時，氧化物包覆殼體破裂，釋放出液態金屬，形成連續的導電網絡（右2），原本鬆弛狀態的液態金屬網絡結構因應變施加導致液態金屬釋放而被被壓縮形成緻密結構（右1）。（美空軍研究實驗室圖片，出自本文正文所述論文）
經過實驗測試，Poly-LMNs的電阻從0%～100%應變的1萬個循環中保持穩定。更為重要的是，在10000次循環後，導體材料並沒有發生機械疲勞失效。
四、應用前景
液態金屬在高度可拉伸的電子產品中已具有多年的應用背景，例如來自NC State的Michael Dickey教授開發的嵌入式液態電線，由卡耐基梅隆大學的Carmel Majidi教授課題組開發的液態金屬嵌入式彈性體複合材料等。但是，液態金屬作為流體存在時，需要利用包覆殼體將其更好的貯存在所需的位置。AFRL的研究人員希望利用液態鎵合金表面上自然形成氧化物的獨特機械性能來設計和實現，就像Poly-LMNs一樣。
利用Poly-LMNs，可使導體在不同的機械條件下仍能保持其電學性能，這在未來在許多場景中都具有應用前景，例如下一代可穿戴電子設備等——導體材料可以集成到長袖服裝中，飛行員或操作員將不需要佩戴其他厚重的電子設備，僅僅通過衣服即可傳遞能量，同時彎曲肘部或旋轉肩膀等動作也將不會影響能量傳遞。
AFRL材料與製造研究部化學家、論文的主要作者卡爾·特拉斯納上尉表示，聚合液態金屬網絡的發現非常適用於可伸縮的功率傳輸、傳感和電路。通過應用這項技術，人機接口系統有望實現連續運行、減輕重量並提供更多能量。
美空軍科學家開發的液態金屬將自主應對結構的變化，在可穿戴設備、工業AR等領域具有廣泛應用前景（美國雷神公司圖片）
目前AFRL的研究人員目前正在努力探究封裝Poly-LMNs對其性能的影響，以及Poly-LMNs與外部集成基材之間的界面特性。塔博爾博士表示：“對於整個柔性電子學的研究領域而言，集成和連接仍然具有挑戰性，將傳統的基於硅的剛性高性能電子設備轉變為承受多次應變循環的可穿戴紡織品的困難是固有的困難。我們正在探索Poly-LMNs或其他液態金屬如何能夠連接具有截然不同模量的兩種材料”。
AFRL目前正與私營企業和大學合作，探索其進一步發展。企業的深度參與，有望將相關技術優化，並將實驗室階段的研究成果規模擴大，探索應用。企業可能將這類材料集成到衣物或紡織品中，以實現人體機能監測和人效增強。AFRL的目標是在短期內將Poly-LMNs在可穿戴電子產品中應用。
陳濟桁先生已為《空天防務觀察》提供7篇專欄文章，如下表：
<table><tbody>序號
篇名
發表日期
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（中國航空工業發展研究中心 陳濟桁）
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本篇供稿：系統工程研究所
運 營：李沅栩
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