2022年6月16日，我实验室黄永安教授团队在国际权威期刊《Advanced Materials》（影响因子：30.849）上在线发表了题为《Snakeskin-inspired, Soft-Hinge Kirigami Metamaterial for Self-adaptive Conformal Electronic Armor》的研究文章。提出了基于超材料的“电子铠甲（E-armor）”，融合“电子皮肤（E-skin）”和“生物铠甲（bionic armor）”，兼具灵活性、共形性、防护性和感知/显示等电子功能性。研究成果有望提高柔性电子器件在复杂工况中的持续工作能力。

近年来，以E-skin为代表的柔性电子研究得到了学术界和工业界的广泛关注，已经衍生出可穿戴电子、表皮电子、人机交互等多种引领性创新应用。目前，该领域的研究主要集中在传感性能的提升，极少数研究关注柔性电子在不可预测或不可控环境中的鲁棒性和生存能力。柔性电子器件大多采用本征软材料，首要解决灵活性和共形性，防护性往往被忽视。自然界中，经过数百万年的自然筛选，生物铠甲已广泛进化为一种有效的防御机制，例如大多数昆虫、无脊椎动物、鱼类、两栖动物、爬行动物和哺乳动物。将生物铠甲引入到柔性电子设计，不仅具有类似E-skin的柔性易变形、易共形的力学特性和电子功能性，而且能够保护自身和所覆盖物体免受外部力/热/磁/电冲击等伤害或干扰，具有重要的理论和实用价值。

蛇是自然界最能适应环境的动物之一，其鳞甲非常坚硬，但身体却极度柔软和灵活，一条细长的蛇可以吞下数倍于已的猎物。此外，鳞片覆盖下的真皮层能够感知温度和压力等外部刺激。受蛇皮启发，我们提出了一种软节点剪纸力学超材料（Kirigami mechanical metamaterials，Kiri-MMs），实现硬质鳞片在复杂曲面上的自适应共形。在此基础上，通过引入导电可拉伸功能材料、FPGA电路控制、柔性传感器等功能器件，构建具备电子功能的E-armor（图1）。

图1.仿蛇皮电子铠甲

Kiri-MMs由于其特有的负泊松比、高可拉伸性、高覆盖率、二维与三维结构的可变换性和可编程性等特性，被广泛引入到柔性电子的设计。兼具的拉胀性和高覆盖率尤其适用于高密度传感和高分辨率成像等应用场景，将Kiri-MMs引入E-armor，能够实现更大面积的防护。但传统Kiri-MMs的变形机制依赖于铰链处的局部屈曲，与E-armor的共形需求存在根本上矛盾。已有的研究大多直接利用而非抑制Kiri-MMs的屈曲诱导特性。因此，如何利用Kiri-MMs独特力学特性的同时抑制屈曲的影响是非常具有挑战性的课题。针对这一问题，本文提出了软节点Kiri-MMs，图2-3展示了以下力学优势：1）高拉胀性和高覆盖率；2）克服局部屈曲实现完全共形；3）只改变软节点实现自适共形；4）硬质切片的高防护性。

图2.软节点Kiri-MMs：优异力学特性

图3.软节点Kiri-MMs：自适应共形能力

将节点处软材料替换成导电可拉伸功能材料，加入阵列化电路设计，并集成功能器件，就构成了具有多种电子功能的E-armor。图4给出了FPGA控制的可编程显示，以及E-armor在复杂曲面上（多曲率、非可展硬质曲面及动态软曲面）的共形能力，进一步证实了E-armor的自适应共形能力。图5通过仿蛇吞蛋实验展示了E-armor的感知能力，通过集成柔性压力传感器，圆管状E-armor能够精准监测蛋的大小和位置。此外，E-armor还具备外部环境感知能力，并且由于硬质切片的隔离，内、外传感器可以相互独立工作。图6讨论了E-armor防护性的提升，相较于E-skin，E-armor能够极大提高柔性电子器件在复杂工况下（穿刺、摩擦、高温等）的生存能力。

图4. E-armor：可编程显示及复杂曲面共形

图5. E-armor：传感功能

图6. E-armor：防护性提升

本研究成果抛砖引玉，为柔性电子研究提供了潜在的研究分支。除上述展示的可编程显示、压力感知等初级功能，还可以集成其他传感、芯片、光/电/声/热元器件等功能单元。潜在的应用场景包括软体机器人、人工血管支架、光/声/热隐身等。E-armor的概念还有待进一步完善，其功能性、防护性、实用性等还有待进一步加强。不足之处请各位专家、老师和同学不吝指正。

华中科技大学机械学院博士后江山和博士生刘建鹏为本文共同第一作者，黄永安教授和厉侃教授为本文共同通讯作者。本研究获国家自然科学基金，中国博士后科学基金，中央高校基本科研业务费专项资金和华中科技大学学术前沿青年团队项目资助。

作者团队简介：

通讯作者：黄永安，华中科技大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，腾讯“科学探索奖”获得者。致力于柔性混合电子设计与制造研究，在柔性传感器、飞行器智能蒙皮、超材料等领域取得了丰富的研究成果，在Science Advances、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communication等期刊发表SCI论文100余篇，出版著作4部，获得授权国家发明专利近100项，形成成果转化，获得湖北省自然科学一等奖、湖北省技术发明一等奖、瑞士日内瓦国际发明金奖/特别金奖。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204091