如果手机或其他电子设备是由柔软的材料制成的，这将如何改变它的用途？它会更耐用吗？如果医院的健康监测设备是由不那么坚硬的部件制成的，它会让病人更容易佩戴吗？

虽然这种类型的电子产品可能还在遥远的未来，但弗吉尼亚理工大学的研究人员已经开发出一种创新的方法来构建构成它们的软电子元件。迈克尔·巴特利特（Michael Bartlett）团队的一个项目的重点是管理内部所有电子连接的电路。巴特利特是机械工程系的首席研究员和副教授。

这项新技术发表在《自然电子》杂志上，它使用液态金属微滴来创建一个类似楼梯的结构，形成一个被称为通孔的小导电通道。这些过孔在电路层之间产生电连接，而不需要像以前的技术那样在硬件上钻孔。

巴特利特说：“这使我们更接近令人兴奋的可能性，比如先进的软机器人、可穿戴设备和电子产品，它们可以在保持高功能的同时拉伸、弯曲和扭曲。”

该论文的第一作者是与巴特利特一起工作的博士后研究员东海浩。弗吉尼亚理工大学的研究团队与宾夕法尼亚大学的副教授李凌（Ling Li）和李凌团队的博士生胡晨浩（Chenhao Hu）一起参与了这项研究。

这项工作得到了巴特利特海军研究办公室青年研究员计划奖和国家科学基金会早期教师职业发展（Career）奖以及弗吉尼亚理工大学的支持。

软电子，过孔和互连

巴特利特的团队先前开发的软电路研究用软电子复合材料和微小的导电液态金属液滴取代了不灵活的材料。这些软电子产品是一个迅速兴起的技术领域的一部分，它使小玩意的耐用性达到了一个新的水平。

在这个项目中，研究人员解决了软电路板的问题，特别是在层层堆叠的电路板之间传递电流的问题。这对于在电路板占据的狭小空间中充分利用电流是很重要的。

尽管传统的刚性电子产品利用成熟的技术来制造通孔，这对于制造当今常见的多层电子产品至关重要，但它们通常需要在电路板上钻孔，这在使用刚性材料连接这些层时是有效的。在一种柔性材料中，穿孔可能会张开，控制电流需要一种不同的方法。

该团队的新技术不制造孔，并使用液态金属微滴形成软通孔和平面互连，通过和跨电路层创建电气连接，克服了这些挑战。该工艺涉及在光树脂中直接分层液态金属液滴。通过利用紫外线照射时产生的不规则性，研究人员创造了一个类似楼梯的结构，使液滴可以在3D中可控地组装。

这种方法是高度通用的，这些液态金属过孔和互连可以在几种类型的材料中实现。他们可以更进一步，多次执行制造方法，并创建越来越多的层。

利用bug作为特性

在已知的制造电子产品和其他微纳米技术的方法中，在紫外线照射下，被称为掩膜边缘异常或削弱的缺陷通常会给标准制造带来挑战。然而，研究人员已经把这个bug变成了一个特征：暴露在紫外线下的区域的边缘导致液态金属液滴沉淀并分层成一个阶梯状的垂直模式。这种定向组装允许液滴通过光树脂形成连续的通道，连接顶层和底层，然后将其完全固化以锁定配置。这个过程是同时发生的，液滴的沉降速度很快，因此制造多个通孔的过程需要不到一分钟。

“通过利用这些不必要的边缘效应，我们可以创造出柔软的导电过孔，以快速并行的方式连接不同的电路层，”Ho说。“我们可以做到这一切，同时保持软设备的灵活性和机械完整性。”

Bartlett说：“通过将平面内和平面通层电路集成在一起，可以创建具有复杂多层结构的柔软、灵活的电路。”“这使得新的软电子形式成为可能，其中多个软过孔和互连以并行和空间控制的方式创建。这对推动该领域的发展至关重要。”