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为解决刚性 / 柔性电子元件集成到可拉伸基板时因弹性模量差异导致的界面难题，研究人员开展生物启发界面工程柔性岛（BIEFI）研究。结果显示 BIEFI 可优化界面，实现高拉伸性。这为可拉伸电子器件发展提供新策略，助力其广泛应用。
在科技飞速发展的今天，可穿戴设备、柔性显示屏等领域对可拉伸电子器件的需求日益增长。然而，将刚性或柔性的电子元件无缝集成到可拉伸基板上，却面临着巨大挑战。由于刚性、柔性与可拉伸材料之间弹性模量的差异，在拉伸过程中，界面处容易出现应力集中，导致性能失效，这极大地限制了可拉伸电子器件的实际应用。比如，在一些可穿戴设备中，反复拉伸会使电子元件与基板分离，影响设备的正常使用。为了攻克这一难题，来自韩国科学技术院（KAIST）等机构的研究人员展开了深入研究 ，相关成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员运用了多种关键技术方法。在制备方面，利用 UV 激光切割技术制作 BIEFI 样本，通过精确控制激光参数，确保结构的准确性；采用 3D 计算机辅助设计（CAD）程序进行根结构建模，使设计更加精准。测试分析时，使用万能测试机进行拉伸相关测试，获取应变、应力等数据；借助有限元分析软件（Abaqus）模拟不同结构的力学行为，深入理解其内部应力分布和变形机制；运用数字图像相关（DIC）算法程序分析应变分布，直观呈现结构在受力时的应变情况。
研究结果
- BIEFI 的设计与机制：受植物根系与土壤相互作用的启发，研究人员设计了 BIEFI 结构。以聚酰亚胺（PI）为柔性岛材料，Ecoflex 为可拉伸基板材料。通过 UV 激光切割 PI 形成具有类似根系结构的图案，再将其嵌入 Ecoflex 中。实验发现，初级根起到应力分布的作用，能延缓界面失效；次级根则作为机械互锁结构，抑制界面失效，这种结构被称为柔性互锁效应。
- BIEFI 的参数研究与优化：研究人员对 BIEFI 的多个参数进行了研究。结果表明，增加初级根的数量可以提高结构的拉伸应变失效值；次级根数量的增加也能显著提升拉伸性，这得益于其柔性机械互锁效应。根的宽度同样影响结构性能，宽度为 100μm 时效果最佳，过窄无法牢固抓住弹性体，过宽则会导致刚性增加，引发弹性体断裂。此外，可拉伸基板的模量对结构拉伸性影响显著，Ecoflex 相比 Dragon Skin 能提供更高的拉伸性和更好的界面粘附性。
- BIEFI 的有限元分析模拟与力学行为：通过有限元分析（FEA），研究人员发现初级根能实现应变的逐渐过渡，缓解应力集中；次级根产生的多个拉力使裂纹扩展更加复杂，增强了机械互锁效应。在拉伸测试中，初级根增加了 PI 与 Ecoflex 之间的粘附面积，提高了拉伸性；次级根则通过柔性机械互锁增加了应变能消耗区域，进一步提升拉伸性。而且，根的宽度不同，失效机制也不同，从 100μm 时的剥离失效到 300μm 时的断裂失效，呈现明显的变化趋势。
- BIEFI 的机械可靠性：优化后的 BIEFI 在多种物理变形下表现出优异的机械可靠性。疲劳测试中，BIEFI 在 130% 应变下循环 1000 次仍能保持稳定，而无根岛（RLI）在 60% 应变下仅 69 次就出现加速界面失效。在戳刺变形测试中，RLI 在第 10 次戳刺时失效，BIEFI 则能承受 1000 次循环压力。扭转测试中，BIEFI 在 180° 和 360° 扭转时，模量保持相对稳定，而 RLI 则出现明显下降，表明 BIEFI 结构在扭转应力下高度稳定。
- BIEFI 在可拉伸电子产品中的应用：研究人员将 BIEFI 应用于多种可拉伸电子产品。使用 Ag flake/Ecoflex - 0030 基本征可拉伸电极连接岛屿，BIEFI 在高应变下仍能保持稳定的导电性和器件功能，而 RLI 在较低应变下就出现电气故障。制作的 3×3 可拉伸 LED 阵列和 2×2 柔性太阳能电池阵列，在多种物理变形（如拉伸、褶皱、弯曲、滚动和扭转）下都能可靠运行，展示了 BIEFI 在可拉伸显示和能量收集领域的应用潜力。此外，研究人员还制作了智能阻力带，集成了应变传感器和加速度计，用于量化锻炼数据；将光电容积脉搏波（PPG）传感器集成到 BIEFI 平台上，制成可拉伸手腕式脉搏传感器模块，能够准确测量脉搏信号，为可穿戴医疗设备的发展提供了新方向。
研究人员通过一系列实验和分析，成功开发了 BIEFI 结构，实现了高拉伸性和优异的物理变形性能。这一研究成果为可拉伸电子器件的发展提供了新的设计思路和技术方案，有望推动可拉伸电子器件在可穿戴设备、医疗监测、柔性显示等领域的广泛应用，为未来的电子世界带来更多创新和可能。在讨论部分，研究人员也指出，虽然取得了重要成果，但仍有进一步改进的空间，如进行全方位界面设计的参数研究、探索粘附参数对拉伸性的影响、模仿更复杂的植物根系结构等，这些方向将为后续研究提供参考，推动该领域不断向前发展。
