背景

透气可穿戴电子设备可促进体表空气流动和汗液蒸发，对皮肤健康、穿戴舒适性、测试信号保真度等具有重要意义。织物因其透气性与成熟的纺织制造产业基础，成为构建此类系统的理想平台。发展织物电子技术，对推动传统纺织产业升级与消费电子形态创新具有重要价值，有效赋能运动监测、人机交互等长期、动态的应用场景。然而，织物固有的变形特性和起伏结构导致其与弹性导线、刚性芯片之间存在显著的界面力学失配，在弯曲、拉伸等载荷下易出现材料断裂、连接界面脱离等失效形式，成为制约其可靠性与实用化的核心挑战。

针对上述难题，浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，浙江大学高端装备研究院院长杨华勇院士团队徐凯臣研究员（我院双聘研究员）课题组发明了一种织物刚度的区域改性技术，通过激光诱导织物内光敏介质的聚合反应，获得了具有定制化梯度刚度和应变分布的改性织物，解决了织物电子系统界面力学失配的普适难题，实现了一体化、可拉伸的织物电子系统，相关成果以题为“Laser-Programmed Stiffness and Interfaces for Textile Hybrid Electronics”发表在国际期刊《Nature Communications》。博士后罗华昱和博士生蔡子墨为论文共同第一作者，徐凯臣研究员为论文通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金 (U25A20321, 52475610)、浙江省自然科学基金(LDQ24E050001, LR26E050002) 的支持。

设计思想：激光诱导的梯度刚度调控透气电子

界面可拉伸的刚柔异构织物感知系统

研究亮点

<创新工艺>：构建了织物与光敏聚合前驱体的复合体系，并通过激光诱导其选择性聚合反应，调节织物局部的聚合物交联密度和杨氏模量。由于该聚合物与纺织结构紧密嵌合，聚合物模量耦合至织物刚度，从而赋予改性织物定制化的刚度分布，为电子系统的界面力学调控奠定基础。

<精巧设计>：根据电子系统结构，设计改性织物的刚度分布，使织物与导线、芯片的多种连接界面可有效抵抗外部载荷（图1）：（1）低刚度改性区域与液态金属（LM）导线形成可延展界面，并通过光敏聚合物提供的亲附性基团促进导线与织物的界面结合，赋予导线在弹性织物表面的拉伸稳定性；（2）高刚度改性区域与重叠的双层LM导线形成的界面可有效抑制织物的挤压变形，避免因孔隙增大引起的导线跨层短路；（3）梯度刚度改性区域可在导线、芯片的连接界面实现应变隔离，确保异质界面在织物全局拉伸时的稳定连接。

图1.激光诱导改性织物及其刚柔连接界面原理

01 激光改性织物基本特性

为获得刚度增强且灵活可调的织物，研究团队将光敏聚合物前驱液渗入织物孔隙，随后利用紫外激光诱导其聚合固化（图2）。该聚合物位于织物纱线交点处，从而有效阻碍织物结构变形，提高其刚度。通过控制渗入织物的聚合物前驱液质量，可获得兼具多孔透气结构和刚度增强效果的改性织物。此外，该织物具有良好的生物相容性，满足体外使用需求。通过调节激光能量密度，其改性区域的等效杨氏模量最高可提升至未改性区域的14.9倍。

图2.激光改性织物基本性能表征

02 激光改性织物与弹性导线的界面连接

改性织物表面的聚合物提供了胺基、羟基等基团，可与LM导线表面的氧化镓、氢氧化镓形成氢键连接（图3）。这种界面连接增强了LM导线在织物表面的拉伸稳定性。同时，通过将改性区域调控至较低刚度，使LM导线所在界面柔顺可延展，所得导线可承受70%以上的拉伸应变，且在1000次循环拉伸后未出现结构或性能失效。另一方面，高刚度改性区域能抑制织物受压时的结构变形，从而防止该处重叠的LM导线发生跨层短路，其可承受的压缩应力达3 MPa。

图3. 激光改性织物与双层导线的连接界面

03 激光改性织物与导线、芯片的界面连接

通过调控织物上高、低刚度区域的分布以形成梯度刚度，可使低刚度区域释放应变，从而保护位于高刚度区域上的芯片和导线连接界面，免受应变干扰（图4）。对于SOT-23-5结构的芯片，仿真显示，其经应变隔离后的中心区域，应变值仅为对照组的1.9%。在实验中，该芯片的引脚在50%的全局拉伸下仍保持稳定连接，且未发生跨引脚短路。综合上述激光改性织物的界面设计方法，研究团队在弹性织物上构建了5×5 LED屏幕，该屏幕能够在弯折和拉伸状态下动态显示“I LOVE ZJU”字样。

图4. 激光改性织物与导线、芯片的连接界

04 基于激光改性织物的透气电子集成系统

基于激光改性织物的电子集成系统具有拉伸稳定性，适合构建具有通用功能的可穿戴电子设备（图5）。研究团队设计并构建了无线、透气、界面可拉伸、可实时监测四种生理参量的织物传感系统。该系统在连续扭转及50%拉伸应变下均无功能失效。将其贴附于志愿者左胸，该系统成功检测到椭圆机运动过程中的心率爬升、体温下降及体表湿度上升。相比于具有相同电路功能的FPCB传感系统，本织物传感系统的优异延展性与透气性确保了电极的稳定贴附与充分的空气对流，从而获得了更稳定、准确的监测信号。

图5. 基于激光改性织物的刚柔异构传感系统

结论与展望

本研究提出了一种通用的织物刚度调控方法，通过激光诱导织物内的聚合反应，赋予织物区域定制化的力学性能，攻克织物电子系统的界面力学失配难题。该技术为高密度集成的织物电子系统提供了一条可复制的工艺路径，有助于提升智能纺织服装产品的应用稳定性与服役寿命，助力相关产品的产业化进程。

来源：浙江大学机械工程学院，内容有改动