香港城市大学，最新Nature Electronics：拉伸800%仍稳定导电，彻底改写柔性电子连接规则！
在可穿戴设备、柔性电子和软体机器人快速发展的今天，如何让电子器件在拉伸、弯曲甚至扭曲的复杂环境中依然稳定工作，成为制约行业发展的关键难题。尽管柔性传感器、软电极等终端器件不断进步，但它们之间的“连接方式”却始终存在短板：传统金属导线刚性强、易疲劳断裂，而液态金属虽柔软却缺乏结构稳定性，难以实现可靠互连。这一“最后一公里”的连接难题，正成为柔性电子迈向实际应用的核心瓶颈。今日，香港城市大学于欣格教授团队提出一种三维可拉伸核–壳结构电缆（3D-SCSC），实现了柔性电子连接技术的重要突破。这种电缆不仅具备高达800%的拉伸能力和近乎不变的电阻特性，还兼具可图案化、可回收（回收率95%）以及抗噪声能力，成功打通了软-硬电子系统之间的稳定连接路径，并在可穿戴生理信号监测等场景中展现出优异性能。相关成果以“A three-dimensional stretchable core–shell cable for soft and hybrid electronics that is patternable, recyclable and noise-resistant”发表在《Nature Electronics》上。Pengcheng Wu为第一作者。作者首先从结构设计入手，提出一种类似“电缆束”的三维导电体系（图1a）。研究团队将液态金属作为“核心导电相”，嵌入弹性体SEBS形成“核–壳结构”（图1b）。这种设计巧妙地将导电与力学性能解耦：液态金属负责导电，而弹性体提供机械支撑，使材料既柔软又稳定。从微观结构来看（图1c），液态金属颗粒在SEBS基体中形成互联网络，这种“连续导电路径”在拉伸过程中可以动态重构，从而避免传统导体因几何变形导致电阻剧烈变化的问题。正是这种结构，使得材料在拉伸至600%甚至800%时，电阻变化仅约0.6 Ω（图1d）。更重要的是，该材料可以通过激光切割实现任意图案化（图1f），不仅能用于自由悬空的三维电子结构（图1g），还可以连接软硬电子模块（图1h），甚至构建贴附皮肤的网状电极（图1i）。此外，其废料还能通过简单化学处理回收液态金属与聚合物（图1j），体现出绿色制造潜力。图1：3D-SCSC的结构设计与基本性能，包括核–壳结构、导电网络及图案化与回收能力。在材料可行性之外，团队进一步验证了该技术的制造潜力（图2）。通过溶液浇筑与热压工艺，研究人员成功制备出A4尺寸的大面积材料（图2a），以及长达约50米的连续柔性电缆（图2b），这意味着该技术具备工业放大的基础。不仅如此，该材料还能制成类似传统排线的“柔性带状电缆”（图2c），并兼容现有电子接口，实现与商业设备的无缝对接。通过不同长度（3–9 cm）和不同针脚（6–12针）的设计（图2d），展现出高度的应用灵活性。在力学性能方面（图2e），3D-SCSC的杨氏模量仅约0.9 MPa，远低于传统弹性体，使其更加柔软；同时最大拉伸应变可达800%。更关键的是，其电阻对形变几乎“不敏感”（图2g），甚至在拉伸初期还会因液态金属颗粒融合而降低电阻（图2f）。耐久性测试进一步证明了其可靠性：在2000次循环拉伸（图2i）、摩擦（图2k）、压力（图2j）以及高温环境（图2l）下，性能几乎不受影响。即便被打孔破坏（图2n），仍能保持导电和拉伸能力，这种“抗破坏性”在柔性电子中极为罕见。图2：材料的规模化制造与力学、电学性能测试，展示其高拉伸性与稳定性柔性电子的核心问题之一，是如何让软材料与刚性芯片稳定连接。研究团队展示了3D-SCSC在这一方面的优势（图3）。传统“硬-硬接触”往往是点接触，而“软-硬接触”则能形成更大的接触面积（图3b），显著降低接触电阻。实验表明，该电缆通过简单的瞬间胶即可与铜箔、金属薄膜或碳布等材料连接，并在拉伸过程中保持稳定电学性能（图3c–e）。更直观的演示来自LED电路：研究人员用3D-SCSC连接贴片LED（图3h），构建出无需基底支撑的柔性电路（图3k）。即使在300%拉伸下，LED仍能正常发光（图3l）。在更复杂的混合电路中（图3m），仅用3D-SCSC替换部分铜导线，整体电路的断裂应变提升了18倍（图3o），同时电阻变化依然极小（图3n），并可稳定工作超过2000次循环（图3p）。图3：3D-SCSC与多种电子材料的连接能力及在柔性电路中的应用。在系统层面，研究团队构建了一个无基底、可拉伸的LED显示阵列（图4a）。该系统由3D-SCSC电极网络、LED阵列和控制电路组成，并通过Arduino实现动态显示（图4b）。该显示阵列不仅可以拉伸、弯曲和扭转（图4c），还可以贴合球面或人体关节（图4d）。在膝盖弯曲过程中，显示图案“CITYU”依然稳定呈现（图4g），说明其具有优异的形变适应能力。更关键的是，在不同方向拉伸下，LED输入电压几乎不变（图4e,f），证明整个系统在复杂形变中依然保持稳定电学性能。图4：基于该电缆构建的可拉伸LED显示阵列及其在复杂形变下的稳定表现。传统心电（ECG）和肌电（EMG）监测中，导线往往是噪声的主要来源。人体运动时，导线与电极之间的微小位移就会严重干扰信号。研究团队将3D-SCSC用于生理信号采集（图5a）。结果显示，在拉伸至300%时，该电缆依然能够稳定传输清晰的心电信号（图5f），而传统导线在拉伸后几乎立即失效（图5e）。更令人惊讶的是，即使在触碰、摩擦等干扰下，信号质量也几乎不受影响。这种“抗噪声能力”源于其柔软结构能够吸收机械扰动，从根本上减少界面不稳定。在肌电测试中（图5h），不同握力（20 lb、30 lb、40 lb）产生的信号可以清晰区分，且频谱分布稳定（图5i）。即使在测试过程中对电缆打孔（图5j），信号仅短暂波动，随后迅速恢复，体现出极强的鲁棒性。图5：在生理信号采集中表现出的抗干扰能力与稳定信号传输性能。总体来看，这项研究通过“核–壳结构”设计，成功将液态金属的高导电性与弹性体的机械稳定性结合，打造出一种兼具超高拉伸性、低电阻变化、强界面适应性和可回收性的柔性电缆体系。更重要的是，该技术不仅停留在材料层面，而是贯穿了制造、连接、系统集成与实际应用，构建出完整的柔性电子解决方案。从可穿戴医疗到软体机器人，从电子皮肤到智能织物，这种“不会掉链子”的电缆，有望成为下一代柔性电子系统的关键基础。未来，随着液态金属颗粒尺寸进一步缩小、加工精度提升，该技术还有望向微米尺度发展，为更高密度、更复杂结构的柔性电子系统提供支撑。