《Advanced Materials Interfaces》：On-Skin Wireless Vibratory Interfaces by Stretchable Multilayer Circuits
编辑推荐：
软电子新兴技术正在促进与人体神经网络的无缝交互。在各种感觉模态中，振动刺激作为可穿戴和植入式系统中的反馈策略具有显著优势。然而，现有设备面临电池寿命有限、器件架构不可共形以及电路设计复杂的挑战，特别是对于需要自适应贴合人体各种曲面形态的器件。在本研究中，研究人
软电子新兴技术正在促进与人体神经网络的无缝交互。在各种感觉模态中，振动刺激作为可穿戴和植入式系统中的反馈策略具有显著优势。然而，现有设备面临电池寿命有限、器件架构不可共形以及电路设计复杂的挑战，特别是对于需要自适应贴合人体各种曲面形态的器件。在本研究中，研究人员提出了一种采用弹性可印刷金属墨水、具有多层电路的无线可拉伸电子器件。该无线振动界面采用紧凑且柔软的电路设计，可直接将电磁功率转换为振动触觉刺激。机械振动模式可通过输入信号的频移键控（frequency-shift keying，FSK）调制实现高度可编程。该无线柔软振动界面具有优异的机械顺应性，在大形变条件下仍能维持其功能。结合由弹性导电纤维制成的织物信号发射器，研究人员展示了一种智能且交互式的皮肤器件，可将空间信息转换为可感知的触觉线索，引导视觉受损用户在非结构化环境中导航。该器件在感觉替代、人机界面和生物医学治疗等领域具有广阔的应用前景。
**一、研究背景与拟解决的关键问题**
软体人机界面（human-machine interfaces，HMIs）已重塑生物-数字交互方式，实现了与皮肤共形的多模态平台，广泛应用于健康监测、机器人技术和沉浸式通信。尽管视觉和听觉模态在虚拟现实（virtual reality, VR）和增强现实（augmented reality, AR）中被广泛采用，但在某些场景下，特别是在感官受损个体中，其功效受到根本性限制。在此类条件下，基于接触的触觉感知变得不可或缺。触觉反馈通过激活皮肤表面的机械感受器，提供私密且高效的通信通道，非常适合感觉增强和交互式个人参与。然而，并非所有皮肤界面刺激都能提供足够的时间带宽以实现信息丰富的反馈。热刺激 inherently 缓慢且对环境敏感，而基于压力或拉伸的系统通常需要更庞大的换能硬件，且动态范围和图案化速度有限。电触觉刺激提供高集成密度，但受制于皮肤-电极界面的接触不稳定性和阻抗漂移，这可能使感知不稳定、引发伤害性反应并限制持续佩戴。相比之下，振动触觉刺激兼具高感知显著性与低延迟和可扩展的时空编码能力，能够实现安全、稳健且高吞吐量的体表通信。
尽管在皮肤集成触觉系统方面已取得显著进展，但在将高度集成的触觉界面从原型演示转化为实际应用方面仍存在若干挑战。现有系统采用了多种策略，包括近场通信（NFC）无线功率传输、电池供电的纺织系统和外部电驱动。尽管这些方法推动了可穿戴触觉反馈的重要进步，但其功率输送、控制信号传输、电路设计和触觉驱动通常仍通过分立模块或相对复杂的皮肤电子器件实现。三维集成可拉伸电子器件通过利用软垂直互连（VIA）和层间布线，为克服单层电路的局限性提供了有前景的解决方案。然而，仍需开发能够实现共形且三维集成器件架构的策略，以无缝集成无线功率传输、紧凑控制电路和高度可编程操作，从而改善振动触觉系统中的佩戴舒适性、操作稳定性和器件可持续性。
**二、研究内容与核心技术方法**
研究人员报道了一种无线可拉伸多层电路（wireless and stretchable multilayer circuit，WSMC），旨在解决上述界面和能量瓶颈，实现稳健且交互式的振动触觉界面。该研究利用流变学改性的液态金属（liquid metal，LM）墨水（GaInSn与铜颗粒复合）和可扩展的逐层模板印刷策略，在低模量弹性体基质内实现了多个电路层之间的垂直互连，从而无缝集成能量接收线圈、功能电路和振动执行器，同时不牺牲机械弹性。
主要关键技术方法包括：（1）流变学改性液态金属复合墨水（LM/Cu）的制备与优化，通过掺入铜颗粒改善纯LM在不平整弹性体基底上易形成不稳定和不连续图案的问题；（2）基于模板印刷的逐层电路制造工艺，利用冲孔和墨水填充形成VIA垂直互连，在Ecoflex（00-30，弹性模量10 psi）低模量弹性体封装内构建多层可拉伸电路；（3）频移键控（frequency-shift keying，FSK）调制方案，将控制命令直接编码到无线功率载波上，无需刚性高功耗解码芯片，从而简化电路设计并缩小器件尺寸；（4）基于热拉伸印刷（thermal drawing printing，TDP）技术制备液态金属填充的SEBS中空导电纤维，并将其缝制为织物发射器线圈；（5）基于YOLOv8n-seg实例分割模型的实时障碍物检测与导航决策算法。实验样本包括研究人员制备的WSMC器件样机（直径34 mm，最大厚度3.5 mm）和织物发射器，并在人体受试者上进行了障碍物规避验证实验。
**三、主要研究结果**
**3.1 WSMC的制备与工作机制**
研究人员通过优化LM/Cu墨水质量比（6:1时具有最佳导电性和印刷图案连续性），采用模板印刷逐层构建了多层可拉伸电路。VIA结构通过冲孔（直径0.5 mm）并填充LM/Cu墨水实现可靠的垂直互连。器件电路通过接收线圈感应耦合采集电磁能量，经肖特基二极管整流电路将交流转换为直流，电容滤波后驱动振动执行器产生振动触觉刺激。
**3.2 机电稳定性表征**
在拉伸条件下，接收线圈的感应系数随应变增加而增大，从0%应变时的约2.18 μH增至80%应变时的约2.75 μH（相对变化约26%），这归因于应变引起的线圈几何扩展。品质因数呈现非单调变化，低应变区（<20%）电感增加主导导致Q值上升，高应变区交流电阻增加（几何变化和趋肤效应）使电阻损耗超过电感增益，Q值下降。0.4 mm × 20 mm印刷LM/Cu导体在100%应变下经5000次循环拉伸后，相对电阻变化保持在0.2以下；在45°弯曲下经5000次循环后，相对电阻变化低于0.02。接收线圈在重复拉伸和弯曲下的电感、品质因数和电阻在5000次循环中均保持稳定。相比之下，器件在弯曲条件下表现出相对稳定的性能，各项参数在宽弯曲角范围内变化较小。
**3.3 无线能量传输性能**
研究人员开发了基于SEBS中空纤维内填充GaInSn液态金属的织物发射器，该发射器在5 MHz工作频率下通过阻抗匹配网络实现50 Ω匹配。无线功率传输效率随传输距离先升高后降低，在约h ≈ 1 cm处达到最大，这对应于从过耦合或失谐状态到临界耦合状态的转变。在h = 3 cm条件下，经5000次拉伸循环后效率保持初始值的约90.5%；经5000次45°弯曲循环后保持约97.5%。发射器倾斜角对效率呈现非单调影响，效率在倾斜角为30°时先降低，在30°至75°之间显著增加，75°后急剧下降。输出功率随负载电阻呈凸形轨迹变化，峰值对应最佳阻抗匹配条件。
**3.4 障碍物规避系统应用**
研究人员将WSMC集成到可穿戴交互式障碍物规避系统中。系统采用腰部佩戴的深度传感相机（D455C，Intel Corporation）采集环境数据，YOLOv8n-seg模型实现实例分割（mAP@0.5为0.995，分类准确率100%），将障碍物空间坐标传输至中央处理单元进行决策，通过Arduino Uno产生控制信号，经功率放大器（UWBACPA300K100M-200 W，成都优信通科技有限公司）放大后通过织物发射器无线驱动WSMC接收器。FSK调制将左右转向命令编码为不同载波频率，实现稳健的无线通信和精确的振动模式控制。通过三轴加速度计（ADXL335，Analog Devices）测量的加速度波形与输入电压信号的良好对齐证实了器件的快速响应特性。该障碍物规避实验按照《赫尔辛基宣言》原则进行，经四川大学医学伦理审查委员会批准（批准号KS20250520），所有参与者在试验前均签署书面知情同意书。
**四、结论与讨论**
本研究成功开发并验证了一种无线可拉伸多层电路，通过利用流变学改性的液态金属墨水和逐层掩模印刷技术，在低模量Ecoflex封装内实现了具有可靠垂直互连（VIA）的复杂电路。该材料策略确保与人体皮肤保持紧密共形接触，同时保证稳健的机电性能，有效消除了生物-电子界面的机械失配。通过频移键控调制，系统实现了稳健的无线通信和触觉执行器的精确控制。同步的机电响应（以快速驱动和明显加速度分布为特征）成功地将视觉空间数据转换为可感知的触觉线索。这项工作为柔软无线可穿戴电子器件建立了通用框架，在感觉替代、人机交互和远程治疗应用中具有显著潜力。讨论部分指出，该FSK调制策略避免了刚性高功耗解码芯片的需求，从而最小化电路架构和器件占用面积，为提高佩戴舒适性、操作稳定性和器件可持续性提供了有效途径。研究结论表明，该器件为下一代辅助技术建立了多功能且无电池的平台。
