柔性电磁学：材料、器件与系统集成的前沿进展与应用展望

《Electromagnetic Science》：Flexible Electromagnetics

本刊推荐研究人员针对传统刚性电磁器件在复杂环境中适应性差的问题，开展了柔性电磁学这一新兴交叉学科的主题研究。通过系统梳理柔性电磁材料（如金属纳米材料、MXene、石墨烯等）、器件（天线、RF谐振传感器、电磁屏蔽装置等）及集成系统的最新进展，解决了柔性条件下电磁波传输、辐射和能量转换的稳定性难题。研究成果为智能医疗、人工智能及航空航天等前沿领域提供了创新解决方案，显著推动了柔性电子技术的发展。

　　

随着第五代无线网络（5G）、物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的飞速发展，传统刚性电磁器件在弯曲、拉伸等复杂形变环境下易受损的问题日益凸显。这一局限性严重制约了电子技术在智能医疗、航空航天等前沿领域的应用。柔性电磁学应运而生，通过将电磁波传输、辐射、接收及处理功能与柔性电子技术相融合，开创了兼具机械适应性和功能稳定性的新型器件范式。

为解决上述问题，南京邮电大学赵强团队在《Electromagnetic Science》上发表了综述性研究，系统阐述了柔性电磁学在材料、器件及系统集成方面的最新进展。研究指出，通过纳米结构设计、复合改性及多尺度调控策略，柔性电磁材料（如银纳米线、MXene@PdNPs复合材料等）在保持高电导率（>10⁷ S/m）的同时可实现弯曲半径小于10 mm的稳定工作。器件层面，基于屏幕印刷、3D直写打印等技术构建的射频识别（RFID）天线、近场通信（NFC）器件及电磁屏蔽装置，在拉伸、扭曲等变形条件下仍能维持良好性能。集成系统方面，团队展示了柔性电磁系统在植入式医疗机器人、无线生理监测等场景中的突破性应用。

关键技术方法

研究通过材料合成（如化学气相沉积法CVD制备石墨烯薄膜）、器件加工（激光切割、掩模蚀刻）和系统集成（多模块协同设计）三大技术路径推进柔性电磁学研究。其中，基于真空过滤辅助喷涂技术构建的聚苯胺/MXene/棉织物（PMCF）复合材料，实现了酸/碱响应型电磁干扰（EMI）屏蔽效能切换（15 dB~24 dB）。在生物医学应用中，采用临床样本验证了植入式微起搏器在猪模型中的无线能量传输效率（3 cm距离下达1.3%）。

柔性电磁材料

金属材料领域，Yang等人通过微电子打印技术制备的银纳米粒子墨水天线，在1.9~10.75 GHz频段内实现三重陷波特性，弯曲半径大于10 mm时频率漂移小于0.1 GHz。无机非金属材料中，Lee团队开发的锶铁氧体（SrMs）复合屏蔽膜，在40~90 GHz频段内屏蔽效率（SE）超过30 dB。聚合物材料方面，聚多巴胺修饰的聚四氟乙烯（PTFE）基底与Ti₃C₂薄膜结合，实现了天线图案的高精度打印。复合材料中，C-MXene@PI泡沫材料在1000次弯曲循环后仍保持62.5 dB的屏蔽性能。

柔性电磁器件

天线器件中，Chen等人利用MXene油墨屏幕印刷的RFID标签天线，在聚酰亚胺（PI）基底上实现8 m读写距离，45°弯曲后性能损失可控。射频谐振传感器领域，Li团队开发的MXene@PdNPs气体传感器，在10~60 mm弯曲半径下谐振频率稳定性误差小于6.13%。电磁屏蔽装置方面，Zeng等人通过浸渍法制备的多孔C-MXene@PI复合材料，厚度1.5 mm时密度仅为28.7~48.7 mg/cm³，兼具超柔性和高温耐受性。

柔性电磁集成系统

在智能医疗领域，Zhang等人设计的无线软体机器人通过LC谐振电路实现膀胱压力监测（灵敏度26.7 kPa^-1），并集成药物释放功能。可穿戴应用中，Kwon团队开发的柔性睡眠监测平台，结合蓝牙低功耗（BLE）技术，可同步采集脑电图（EEG）、眼电图（EOG）等生理信号。环境监测方面，Li研究的无电池软电磁游泳器（SES）通过近场通信（NFC）模块实时传输水质数据，曲率0.1 mm^-1时谐振频率漂移仅5%。

结论与展望

该研究揭示了柔性电磁学在极端环境适应性、多功能集成及大规模制备方面的挑战，并提出未来需聚焦四个方向：新型材料基因设计、器件应变耐受性优化、高通量加工技术及跨学科系统集成。通过融合材料科学、电磁学与柔性电子技术，柔性电磁学有望为深空探测、深海监测等极端环境应用提供革新性解决方案。