基于摩擦的可拉伸液态金属基线圈与刚性电容器的互连，用于机械耐久的无线供电纺织品

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Friction-Based Interconnection of Stretchable Liquid Metal-Based Coil with Rigid Capacitors for Mechanically Durable Wireless Powering Textiles

　　

纺织集成蛇形线圈为可穿戴设备的体域无线供电提供了有前景的平台。液态金属（LM）填充的可拉伸管因其高拉伸性和导电性，是这些线圈的理想布线。高效的无线电力传输需要将刚性电容器集成到这种可拉伸布线中。然而，采用基于粘附的化学固定的传统刚柔互连，由于可拉伸材料中粘附性差，在机械上仍然脆弱。为解决这一问题，研究人员提出了胶囊辅助的基于摩擦的机械固定。刚性胶囊包裹的电容器被插入LM填充的管中，并通过摩擦固定。这些胶囊增加了接触面积和压力，以在拉伸过程中实现稳健的机械固定，同时覆盖电容器边缘，以最小化弯曲过程中的应力集中。通过实验优化胶囊尺寸，研究人员的摩擦互连分别承受了30.3 ± 0.9 N和25.6 ± 2.0 N的拉伸和弯曲力，比传统粘接接头分别提高了2.7倍和3.4倍。作为概念验证，该互连应用于体域蛇形线圈，为多个发光二极管（LED）和传感器设备维持了无线电力供应。该线圈表现出稳定的电性能，在100次弯曲循环后阻抗变化<1.7%，100次洗涤循环后阻抗变化<3.1%。这种方法使得可洗涤、耐用的无线供电纺织品能够在日常服装中支持免电池和免布线的可穿戴传感器。

论文解读：面向机械耐久无线供电纺织品的摩擦互连方法

可穿戴设备在医疗保健、运动监测和人机交互等领域不可或缺，但其供电方案长期受限于有线连接的活动束缚和电池的频繁充电问题。将无线供电功能集成于服装，使之成为体域电力网络，是解决分布式设备供电难题的重要方向。在多种无线供电架构中，蛇形线圈（meander coil）通过交替电流方向将磁场局域在皮肤表面，同时消除穿透人体的磁场分量，相比螺旋线圈不仅降低了电磁暴露，还可在比吸收率安全限值内提升允许发射功率13–23倍。然而，将此类线圈真正应用于日常服装，需要同时满足三项条件：高拉伸性（>70%）、低体积电阻率（10^?7–10^?8 Ωm）以及集成电容以补偿无功损耗。液态金属（liquid metal, LM）填充的可拉伸管因其优异的导电性和拉伸性而成为理想布线方案，但刚性电容器与可拉伸管之间的互连长期依赖基于粘附的化学固定，在反复拉伸和弯曲时极易发生界面脱粘和断裂。针对这一瓶颈，研究人员提出了一种胶囊辅助的摩擦基机械固定方法，利用摩擦力替代化学粘附，实现刚-软互连的机械增强。

该研究通过设计3D打印刚性胶囊包裹电容器，将其插入填充镓铟锡合金（galinstan）的硅橡胶管中，依靠胶囊与管壁的接触压力和静摩擦力实现固定。胶囊既增大了接触面积和压力，又覆盖了电容器棱角、圆化了刚-软界面，从而缓解应力集中。通过系统地改变胶囊直径（φ_jig）和插入长度（L_jig），研究人员建立了摩擦力模型，并借助拉伸和弯曲实验绘制了破坏载荷与失效模式图谱。实验结果表明，优化后的互连能够承受30.3 ± 0.9 N的拉伸力和25.6 ± 2.0 N的弯曲力，分别是传统直接粘接和导线桥接粘接方案的2.7倍和3.4倍。作为概念验证，研究人员将采用该互连的LM蛇形线圈集成到机织上衣、袖套和裤装中，实现了多个发光二极管（LED）和温度传感器的持续无线供电，且线圈在100次弯曲和100次洗涤循环后，阻抗变化分别小于1.7%和3.1%。该工作为可洗涤、耐用的体域无线供电服装提供了切实可行的技术路径，支持免电池、免布线的分布式可穿戴传感器在日常服装中的长期运行。论文发表在《ACS Applied Materials 》，展示了刚-软互连从“化学粘附”向“机械摩擦”设计范式的转变。

主要关键技术方法可概括为：采用3D打印光固化树脂制备圆柱形胶囊（夹具），其锥形尖端便于插入硅橡胶管，插入后分离尖端以减少应力集中；使用拉伸试验机和弯曲加载装置分别测定轴向拉伸与横向弯曲的破坏载荷，并用四探针电阻计监测电阻变化；通过Welch双侧t检验比较摩擦互连与传统粘接互连的力学性能；利用矢量网络分析仪提取谐振频率与Q因子；将集成互连的LM线圈嵌入机织服装，构建13.56 MHz磁耦合谐振无线输电系统，并完成循环弯折、循环洗涤及多设备供电演示。

**拉伸耐受性评估**
通过改变L_jig（2–30 mm）和φ_jig（1.6–8.0 mm），研究人员发现拉伸破坏载荷（F_break）随接触面积和界面压力增大而上升，并在约30 N处趋于饱和。当摩擦力低于管体强度时，失效模式为管体滑脱；当摩擦力超过管体强度时，失效模式为管体断裂。实验数据符合摩擦力模型，界面剪切强度约为0.09 N/mm2，证实滑脱失效主要由摩擦保持力决定。

**弯曲耐受性评估**
弯曲测试显示，F_break随L_jig和φ_jig增大先升后降，存在最优尺寸区间。小尺寸下因摩擦力不足发生管体滑脱；大尺寸下则因夹具弯曲强度不足或管体边缘应力集中而失效。通过平衡夹具刚度与管体强度，可在抑制滑脱的同时获得最高弯曲耐受性。

**与传统粘接互连的比较**
在选定最优尺寸（L_jig = 18 mm，φ_jig = 4.8 mm）后，摩擦互连的拉伸和弯曲F_break均显著高于直接粘接和导线桥接方案（p < 0.001），提升幅度至少为2.7倍和3.4倍，证明几何设计可替代化学粘附实现高机械耐久性。

**体域无线供电原型演示**
研究人员制作了集成LM蛇形线圈的上衣、袖套和裤装原型，线圈内分布多个电容，并采用上述摩擦互连封装。演示中，上衣可同时为5个LED模块和温度传感器供电，设备在距服装表面约1 cm内正常工作，超过约5 cm后停止工作，且未观察到明显温升。

**动态电稳定性与耐久性**
1000次循环拉伸（应变0–1）后，包含互连的LM布线电阻稳定在4–25 mΩ，无管体破裂、胶囊滑脱或LM泄漏。袖套在0–90°肘部弯曲角度下，谐振频率保持在13.56 MHz附近（偏差仅0.08 MHz），Q因子稳定在46.1 ± 0.4。100次循环弯曲后阻抗变化<1.7%，100次机洗后阻抗变化<3.1%，均满足实际穿着和洗涤要求。

**讨论与结论**
讨论部分指出，摩擦互连的破坏模式由摩擦力、管体强度和胶囊刚度共同决定；通过增大胶囊尺寸可增强摩擦力，但过大的尺寸会牺牲弯曲性能，因此需要根据目标工况优化几何参数。该设计不依赖材料表面粘附性，因此适用于多种可拉伸基材，为体域无线供电网络提供了通用且可靠的刚-软互连方案。
研究结论表明，研究人员展示了一种胶囊辅助的摩擦互连方法，用于LM基蛇形线圈与分布式刚性电容器的集成。通过3D打印胶囊包裹电容器并插入镓铟锡合金填充管，实现了纯机械固定。优化后的互连承受拉伸和弯曲力分别达30.3 ± 0.9 N和25.6 ± 2.0 N，优于传统粘接方案至少2.7倍和3.4倍。集成该互连的无线供电服装可同时驱动多个LED和传感器，并在100次手臂弯曲和100次洗涤后保持阻抗变化<1.7%和<3.1%。该方法为分布式传感器、执行器和通信模块的持续免电池运行提供了机械耐久的体域无线供电网络基础。