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“通常，这项研究旨在为自由表面激光加工提供一个新的过程，以在任何复杂的表面上准备三维共形电子。”哥伦比亚密苏里大学机械与航空航天工程系副教授林·江（Lin Jian）总结了他和他的团队的新成就。

此过程可用于柔性剪切应力传感器，液位传感器，建筑结构监测传感器，物联网和无人机的大数据分析。同时，研究小组还希望探索自由表面激光过程的商业化可能性。

照片|林简（来源：Lin Jian）

近年来，作为三维弯曲表面的重要成员，共形电子已被广泛用于表皮电子，健康监测，机器人电子皮肤和汽车智能玻璃场景，例如易于拟合在复杂的弯曲表面以及传统微电子设备的性能中。

尽管二维平面的微制造过程已经在三维弯曲的共形电子中取得了一定的进步，但仍然存在一些缺点，例如在完全拟合具有三维弯曲表面的电子设备的困难，信号收集难度和不稳定信号收集中。

因此，学术界一直专注于更先进的制备过程的发展，并且已经出现了一些新的三维弯曲表面共形电子制备过程，例如气溶胶喷涂，3D添加剂制造，铸造和压力诱导的组装。

在柔性可伸缩聚合物的表面上，可以通过这些过程处理电子设备，然后通过转移打印，热/真空积分成型和水印传输转移到三维弯曲表面。

但是，通过文献研究，小组发现上述技术仍然存在许多缺点，这极大地限制了他们广泛应用三维弯曲的共形电子。因此，迫切需要开发一个流线型，无掩模且具有较高合适精度的过程。

使用自由表面激光器开发三维弯曲的共形电子

在研究期间，他们将注意力转向激光直接写作过程，该过程的优势是能够在没有口罩的情况下快速准备设备。

在硬件构造中，激光直接写作技术不仅便宜，而且还有效地准备了批处理均匀性能的电子设备，并且可以准备各种前体，包括激光诱导的石墨烯，金属及其合金，金属氧化物/硫化物和其他纳米功能材料。因此，它在传感器，储能等领域具有巨大的应用前景。

据报道，研究团队已经积累了多年，并首次发现激光诱导的石墨烯[1]，通过激光合成开发了过渡金属硫化物电催化剂[2]，制备了基于激光器[3]的可重复的磁反应软材料[3]，并实现了有效的和自动化的基于Metal Organic Freppenterts Playterss [4] [4] [4]。

但是，他们发现，尽管他们已经非常熟练地准备二维平面材料。但是，基于传统线性运动的激光直接写作技术无法实现三维弯曲表面中的共形电子。

主要原因是激光束不能实时垂直于三维弯曲表面，这会导致激光点变形，这会影响功率输出，从而导致设备的性能不均匀。

在这项工作中，他们将多轴机器人平台的高操作性与激光直接写作技术相结合，以开发基于五轴链接的自由表面激光直接写作过程。

它的优点是：它不仅可以确保激光束聚焦并垂直于三维弯曲表面，而且还可以保留对激光处理的材料选择的灵活性。

在验证曲面设备的性能后，基于激光诱导的石墨烯，金属和氧化物以及其他材料，该团队使用自由表面激光来开发三维弯曲的共形电子。

该团队还验证了其在温度/紫外线/氨传感器，超级电容器和无线传输电路上的可靠性。最后，他们结合了应变传感器和人工智能，以证明其在智能家居中的应用潜力。

最近，相关论文以高级功能材料发表，标题为《三维稳定电子器件》（3D构象电子的直接自由式激光制造）。

图|相关论文（来源：高级功能材料）

Zheng Bujingda是第一作者，密苏里大学机械和航空航天工程系的Xie Yunchao博士和Lin Jian教授担任相应的作者。

起源：茶中的头脑风暴

据报道，这项研究在茶中的几位作者集思广益。鉴于现代消费电子产品领域的巨大应用前景，三维弯曲的保形电子产品已成为尖端研究的领域。

许多学者致力于克服三维弯曲形式电子的制备过程，并取得了良好的进步，但仍然存在许多缺点。

林吉安说：“当我进行博客研究后的研究时，我第一次发现了激光诱导的石墨烯。它是由Laser Direct Direct写作技术迅速准备的。在我自己设立研究团队后，我继续在该领域进行更深入的研究。”

但是，人们仍然在复杂的表面上“无助”，尤其是曲率变化的表面。为了将激光直接写作技术扩展到三维弯曲的共形电子，他和团队讨论了该平台是否可以实现五个自由度，以便激光可以专注于任何复杂的表面。

一旦有了一个想法，下一步就是构建平台。为了减少建立和控制成本的困难，研究团队决定根据商业3D打印机进行升级和改造。

首先，它们增加了X轴上X和Z轴的输出正交旋转轴，因此平台具有五个自由度。其次，打印挤压头被蓝光激光模块取代，从而作为激光直接写作技术的最终效应器。

最后，将原始的挤压控制器替换为开源Arduino和坡道组合套件，并通过写入五轴CNC（计算机数值控制）机器工具固件并与计算机侧计算机合作，可以实现五个步进电动机和激光模块的同步控制。

这样，升级和修改的五轴连锁激光平台可以沿XYZ三个轴线线性移动，并围绕XZ两个轴旋转，从而确保激光束始终垂直于复杂的弯曲表面。

图|自由表面激光系统和各种功能材料及其应用示例的五轴连接（来源：高级功能材料）

然后是物质表征。在此步骤中，他们使用三轴激光和五轴连杆激光器在三维弯曲表面上制备激光诱导的石墨烯。结果表明，五轴连杆激光平台可以更灵活地应对曲率变化的三维弯曲表面。

它还发现，激光诱导的石墨烯在具有不同曲率的表面具有一致的拉曼光谱和电阻。

然后，在不同材料和粗糙度的表面上，他们制备了激光诱导的石墨烯，以验证自由表面激光技术的通用性。

图|激光诱导的石墨烯在不同表面和粗糙度上的五轴连锁激光制备（来源：高级功能材料）

最后一步是准备四个弯曲的共形电子传感器：

研究人员使用自由弯曲的激光技术制备了银电极，可以根据自然壳表面（第一个电子传感器）表面上的不同前体检测温度和紫外线。同时，他们还创建了一个二氧化钼电极，该电极可以测量第二个电子传感器的氨浓度。此外，它还准备一个无线变速器银电路，该电路可以集成控制器和光线电阻器，该电阻是第三个电子传感器。另一个是激光诱导的石墨烯超级电容器，可用于电化学能量存储，这是第四个电子传感器。

图|无线传输电路具有集成控制电路和光电阻器（来源：高级功能材料）

最后，在模拟植物上，研究团队基于激光诱导的石墨烯集成了应变传感器。在结合了人工智能算法之后，他们发现它可用于检测室内风速和风向的变化，从而为物联网智能房屋的应用设计提供了新想法。

（来源：高级功能材料）

总之，这次启动的自由表面激光直接写作过程在三维弯曲的表面共形电子中具有巨大的优势：

首先，可以将三维弯曲共形电子的制备步骤简化为一步激光直接写入，以便可以将共形电子完全拟合到复杂的弯曲表面。其次，它不仅可以处理聚合物，天然木材，金属，金属氧化物和其他材料，还可以处理具有不同粗糙度的凸面和凹面表面。第三，由于制备过程很容易复制，因此该结果可以为保形电子领域的科学研究人员提供实用的解决方案。

至少有6个主要的申请前景

除了学术价值外，该技术还高度通用，可以在以下领域显示其功能：

首先，它可用于无人机的柔性剪切应力传感器。在在无人机的前缘安装剪切应力传感器阵列时，可以监视前缘涡流的分离线，从而研究无人机的升降机的变化。

目前，使用自由表面激光技术，可以快速准备剪切应力传感器阵列，并且无人机表面没有口罩，这不仅可以简化制备和传输步骤，而且可以有效地适合无人机表面，从而减轻信号收集难度的问题。

其次，它可用于液位传感器。液位传感器可以实时检测特定容器中液位的变化，从而进行相应的更改。自由表面激光技术可以直接在复杂的弯曲表面上准备印刷电路，并整合相应的电子组件，以帮助液位传感器实现指示器控制和其他功能。

该水平传感器也可以在智能鱼缸中使用。当将水泵入水箱中时，当水位上升时，传感器将记录当前的水位，并照亮发光二极管以指示水位。当鱼缸饱满时，电路会感觉到水位并阻止水泵运行；当水位降至特定的高度时，传感器将命令允许水泵开始运行，直到达到特定的高度。

第三，可以用于电子仿生皮肤/可穿戴设备中。电子皮肤是指可以模仿人或动物皮肤功能的柔性伸展电子设备。它们目前广泛用于医疗领域，例如收集重要的生理信号，例如温度，出汗和心电图。

当使用自由表面激光过程时，可以将电子皮肤直接处理在涂有前体的表面上。这种完全拟合的电子皮肤可确保可以收集更多的富裕生理信号。

第四，它可用于建筑结构监视。建筑结构的健康监测主要用于基础设施，例如土木工程，铁路和核电站。这些设施的表面和内部发生了缓慢的结构损伤。

使用此过程时，它可以防止造成的公共安全事故并降低维护和维修成本。具体而言，在此类基础设施的表面上，该技术可用于制备一种结合温度，湿度，压力，无线传感器和电池的应变传感器，以长期检测基础设施的结构安全性。

第五，它可用于环境信号监测。建立有效的环境监测系统将有助于改善对环境污染的预防和控制，这需要大量的精确传感器。

对于传统的电子设备，它们都是首先准备的，然后将其放置在环境中。团队提出的过程可以在本质上使用大量的外壳礁，以将各种传感器整合在外壳表面上，这不仅可以有效地利用自然资源，而且可以与环境完全集成。

例如，将传感器放置可以在海上感知温度，湿度，盐度和压力的传感器，以实时监测环境变化和潮汐模式。

第六，它可以用于物联网和大数据分析。研究小组说：“物联网，大数据，计算机和移动通信是信息时代的四个巨人。”

物联网通过传感器，驱动程序和空间分布的设备将网络扩展到物理领域。随着计算机硬件的持续升级，将大数据与物联网和人工智能相结合可以进一步提高人类生活的质量。

大数据预测的准确性取决于获得的数据类别的广度以及数据的准确性。使用此过程，可以在各种环境中的底物上准备传感器，从而确保数据类别的广泛性。

此外，传感器的高保形拟合也可以确保数据的可信度。该技术结合了人工智能模型和硬件设备，可以将物联网和大数据分析提升到一个新的水平。

将来，为了进一步改善自由表面激光过程的实用性，研究团队将从以下四个方面工作：

首先，升级自由表面激光平台的硬件，以提高平台的定位精度；其次，丰富了加工材料库，例如金属合金和金属硫/氧/氮化物，从而扩大了三维弯曲共形电子的应用范围；第三，制定控制程序以应对曲率变化引起的激光通量的变化，从而提高三维弯曲共形电子的加工质量；第四，整合不同的最终效应子来研究不同过程的处理可能性。

参考：1.2014 NAT。 Commun.5，57142.2016 J. Mater。化学A4，68243.2020 Nat。 Commun.11，63254.2021 ACS Appl。母校。 Interfaces13，534855.zheng，B.Zhao，G.Yan，Z.Xie，Y.Lin，J。（2022）。 3D构象电子产品的直接自由形式激光制造。高级功能材料，2210084。