研究背景

突破传统刚性电子的瓶颈和垄断的柔性电子引起了研究界的广泛兴趣，成为最受关注的前沿交叉学科之一。广泛的创新应用包括可穿戴电子器件、表皮电子器件、植入式电子器件、软机器人、飞机智能皮肤等。在过去的二十年里，先进的软质材料和结构设计已经取得了巨大的进展，以实现柔性电子。虽然内在柔性和可拉伸功能材料的发展为机械变形(如拉伸和顺应)问题提供了一个直观的答案，但由于缺乏稳定性和可靠性，这种材料的应用仍然受到限制。提到传统的刚性、非可拉伸材料的灵活性的反直觉问题，像代表性的"岛桥"策略(如波浪形、蛇形、自相似、线圈)的结构工程，使高模量材料的低模量力学得到广泛利用，以适应极端的机械变形。然而，通过使用材料或结构制度中的常规策略来进一步改善或提高柔性电子的能力正变得越来越具有挑战性和高成本。例如，在有代表性的"岛桥"策略中，从最初的波浪形到蛇形，再到自相似，拉伸性可以达到400%以上。然而，复杂的、薄的、脆弱的互连正在接近其物理极限。

超材料表现出天然或化学合成材料所不具备的前所未有的物理(光学、声学、机械、热学、电子等)特性，已经成为物理学、化学、材料科学和工程学的一个革命性的前沿领域。超材料最突出的特征在于人工创造，即集体特性根植于单元格的工程结构(形状、几何和排列)，而不是成分的内在特性。因此，超材料开辟了一个全新的方向，可以随意设计材料的能力。根据超自然属性的物理学原理，将超材料主要分为两类:波基超材料(WMs)和机械超材料(MMs)。 前者包括电磁超材料(或光子晶体, PtCs),声学超材料(或声波晶体，SnCs)和弹性超材料(或声学晶体，PnCs)，操纵电磁波、声波和弹性波的传播。后者与弹性常数(泊松比和模量)有关，侧重于刚度、变形性和可变形性。由于前景广阔，将超材料引入柔性电子学已被广泛报道，以增强和创新物理功能。

研究成果

超材料在机械、光学、热学、声学和电子特性方面表现出超自然的物理行为，这是天然材料所不能达到的，如可调整的刚度或泊松比，操纵电磁波或弹性波,以及拓扑学和可编程的变形性。这些突出的优点促使超材料成为一个全新的研究方向，并激发了柔性电子的广泛创新应用。在这里，这样一个开创性的跨学科领域被首次命名为"柔性超材料电子学"，专注于通过超材料的设计来提高和创新柔性电子的功能。在此，华中科技大学黄永安教授回顾了这一新兴领域的最新进展和趋势，同时强调了其潜在的价值。首先，简要介绍了超材料和柔性电子的结合。然后，讨论了已开发的应用，如自适应变形能力、超高灵敏度和多学科功能，接着讨论了潜在的前景。最后，总结了柔性超材料电子学面临的挑战和机遇，以推动这一前沿领域的发展。相关报道以“Flexible Metamaterial Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Basis, classification and application of flexible metamaterial electronics (FMEs).

Figure 2. Auxetic stretchable electronics.

Figure 3. Self-adaptive conformal electronics.

Figure 4. Ori-MMs-based electronics.

Figure 5. Flexible PMs-based and TMMs-based electronics.

Figure 6. Flexible photonic skin.

Figure 7. Flexible PtC resonator-based sensors.

Figure 8. Multifunctional flexible smart skin.

Figure 9. Acoustic and elastic waves-based flexible electronics.

Figure 10. Several active metamaterials and derived FAMEs.

总结与展望

作者总结了一个新兴的研究领域，它结合了超材料和柔性电子，并带来了一个新的概念"柔性超材料电子"(FMEs)。它致力于探索超材料在增强和创新柔性电子的功能方面的多种超自然特性。从类型上看，这种概念又被分为柔性机械超材料电子学和柔性波基超材料电子学。前者为解决柔性电子器件的变形问题提供了一种新的策略，而后者则可以大大丰富其功能。此外，柔性有源超材料电子学在材料科学的角度被单独讨论，这使得概率的维度增加。作者强调了这一新兴领域的最新进展和前景，特别是从功能和实用性的角度来看。最后，总结了一些重要但不涉及的方面(包括设计方法、制造工艺和概念上的突破)的几个挑战。

作为一门高度合成的交叉学科，超材料呈现出天生的复杂性和多样性，这对研究者的认知深度和广度提出了更高的要求。人们应该同时知道超材料能提供什么，柔性电子需要什么，然后建立适当的供需桥梁。然而，不同的学科不可避免地表现出不同的倾向性。超材料的研究倾向于探索新的物理现象，并深入研究其背后的机制，而柔性电子的研究人员则更注重各种特性和实用功能。已经报道的FMEs只是冰山一角，这个新兴领域的巨大潜力正等待着我们去实现。概念上的突破、多学科的研究和需求驱动的创新应用将是未来工作的关键。

在这个领域中，许多展示的功能和设备原型仍然是非常初步的，大多局限于实验室研究，或者有时只是在理想假设下的理论性能，而没有考虑实际应用。展望未来的实用产品，有几个挑战应该得到很好的解决。首先，微纳尺度的高精度制造技术是先决条件，特别是对于复杂的MMs。正如上面所讨论的，许多目前可用的技术(如3D打印，激光切割，双光子光刻)仍处于早期阶段。低成本的高精度制备和光滑的表面粗糙度仍然是有限的。自上而下和自下而上(自组装)技术的结合可能会实现更小规模的超材料。在工程实践中广泛使用的加减混合技术可能是降低复杂的MMs门槛的另一种方法。其次，许多理性问题仍未解决，如可拉伸性和可顺应性之间的定量关系，缺陷(如制造误差和专用孔径)对超材料的超自然特性的定量影响等。这些问题主导或改变了最终的稳健性和实用性。应考虑冗余设计。第三，可调性和可控性是另一个重要的考虑因素，它代表了在工程应用中有效使用的实际先决条件。虽然到目前为止，重点主要是展示不同的方法和新功能的概念,但未来的研究应该解决量化可能进行调整的准确性和速度，以及随后发生所需转变的速度的需要。最后，应确保活性材料的稳定性、可靠性和可控性。然而，如果目前柔性电子和超材料研究的增长趋势继续下去，柔性电子和超材料领域见证工业利益的近乎爆炸性增长并非不可想象。灵活性已经成为现代生活的趋势。半个多世纪前，在电子学领域和最近在更接近的光子学领域都见证了这样的结果。柔性电子和柔性超材料电子似乎是下一个目标。

文献链接

Flexible Metamaterial Electronics，DOI10.1002/adma.202200070