近日，南方科技大學材料系郭傳飛副教授和美國休斯敦大學物理系任志鋒教授（共同通訊作者）在《先進功能材料》在線刊登了題為“Flexible Electronics: Stretchable Electrodes and Their Future”的綜述。南方科技大學前沿與交叉科學研究院黃思雅副研究員和休斯頓大學劉嫄博士為本文第一作者。文章從結構設計的角度介紹了基于剪紙藝術設計策略的新型可拉伸透明電極材料的最新研究進展及應用，涵蓋了電子皮膚、植入式可降解電子材料以及仿生軟體機器人等領域。

柔性電子學作為一種新興的具有廣闊應用前景的研究科學，將研制可在高應力狀態下工作的高性能柔性電子材料帶入了人們的視野。透明電極被廣泛應用于各類電子產品中。最常見的透明電極材料是摻雜的氧化物半導體薄膜（如氧化銦錫，ITO），其良好的光學透光率和導電性使其在光電子顯示領域占據了數十年的主導地位。然而，傳統的ITO薄膜無法滿足未來可穿戴柔性電子產品對力學柔性要求。應用于彈性體襯底上的透明柔性電極（FTEs）在使用過程中需要承受彎曲、折疊、扭曲，甚至拉伸等大應變形變模式，對材料的力學性能提出了更高的要求。

近年來，可拉伸電極的研究發展推動了可穿戴電子產品、電子皮膚、可植入醫療電子設備、軟體機器人、以及新型柔性人機界面等領域的興起。這些具有良好力學柔性和生物相容性的電子產品在人體健康監測和生物醫療領域中發揮著越來越重要的作用，并將極大改善現有的醫療健康體系并徹底改變人類與電子產品之間的關系。研究人員研制報道的各類仿生軟體機器人具有類似皮膚的柔性傳感功能和類似肌肉組織的軟體驅動器，可通過柔性人機界面與人類和周圍環境進行友好的實時互動，從而實現完整的“人-機”互動反饋體系（圖1）。隨著可穿戴和可植入式電子設備的出現，以及對智能軟體機器人不斷增長的需求，學術界和工業界已將目光投向了研制開發同時具有優異力學柔性和電學特性的功能電子材料，而可拉伸電極材料是基礎關鍵。

圖1 柔性電極、柔性電子設備和軟體機器人之間關系的示意圖

文章系統比較了不同電極材料的光電性能和力學性能，并對常用電極材料的優缺點進行了評述。此外，文章還深入探討了材料的幾何形狀設計（圖2）、襯底選擇以及電極-襯底粘附力對電極拉伸性能的影響，揭示了設計制備可拉伸電極的一種通用策略，并闡釋了具有生物相容性的可拉伸電極在人體（圖3）和新型智能仿生電子產品（圖4和圖5）中的應用。

圖2 可拉伸電極的幾何形狀與剪紙結構設計

圖3 柔性電子器件在人體上的應用

圖4 多功能電子皮膚的特性示例

圖5 柔性電極在電驅動軟體驅動器的應用示例

文章最后指出，雖然柔性電子領域取得了很多令人鼓舞的進展，但依然面臨著巨大的挑戰。同時集成了物理、化學和電生理信號測試傳感功能的可穿戴綜合醫療健康監測系統，可以為人們提供一個更加全面的個人生理健康狀態圖像，是未來醫療健康領域發展的方向。此外，將具有不同功能的柔性電子元件（包括傳感、驅動、數據傳輸和分析、能源，以及能量收集轉化系統等）集成于一體的智能柔性電子系統能夠對內部和外部信號進行實時感應和動態反饋，是智能制造領域的熱點研究方向之一。隨著柔性電子和人工智能時代的到來，可拉伸電極和電子元件與生物體的有機集成，以及開發具有柔性幾何結構設計和實時自主感應反饋的全軟體機器人，將成為越來越重要的跨學科領域。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.20180592

（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201805924）

來源：高分子科學前沿