近年来，欧博随着现代消费电子市场的多样化和快速发展，三维曲面保形电子已然成为至关重要的前沿研究领域。相比于传统平面电子，三维曲面保形电子因其易于贴合到复杂形状表面具备全新特性和特定功能，在表皮电子学、健康监测和可穿戴设备等领域显示出广阔的应用前景。早期制备三维曲面保形电子主要依赖于传统二维平面微观制造工艺，即先将电子器件固定在诸如硅片或玻璃片等基底上，然后将其转移至目标曲面上。然而该工艺存在诸多难以克服的缺点，比如二维电子器件的平面特性使得其很难完全贴合在三维复杂形状表面，传感器与目标表面的较少连接导致数据信号收集的困难。因此研究学者开始聚焦于开发新型多功能制备技术以满足日益增加的设计限制。

过去的二十年见证了包括气溶胶喷涂、3D打印、铸造、光照烧结和应力诱导组装等先进三维曲面保形电子制备技术的出现，并取得巨大研究进展。这些三维曲面保形电子在经过转移印花、热/真空成型和水印技术转移至刚性易变形动态变形的复杂曲面上。然而这些技术也存在诸多缺点，像制备技术步骤繁琐、选材受限、电子设备与衬底不匹配、高投入和低敏捷性的缺点，从而阻碍了三维保形电子的广泛引用。近期出现的脉冲光诱导转移和皮肤作画技术使得三维曲面保形电子的制备技术又上一层楼，然而这两项技术均存在需光掩膜、低转移贴合精度与选材受限等缺点，迫使研究者开发更为先进且步骤精简的制备技术用于三维曲面保形电子的研究。

近年来，作为一种无掩模快速制造的激光直写技术异军突起，用于制备包括激光诱导石墨烯、金属及其合金、金属氧化物/硫化物等材料，欧博娱乐展示了在传感器、能源存储和转换领域巨大应用前景。密苏里大学机械与航天系林见及他的课题组在此领域有着多年的研究，取得了一系列进展。如图一所示，这些进展包括首次发现激光诱导石墨烯( Nat. Commun. 2014, 5, 5714), 激光合成过渡金属硫化物电催化剂 ( J. Mater. Chem. A 2016, 4, 6824), 基于激光的可重复编程的磁性响应软材料 ( Nat. Commun. 2020, 11, 6325)，基于激光平台的金属有机框架的高效自动合成( ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 53485)。在此过程中，课题组发现基于传统三轴激光直写技术对于二位平面材料的加工制备得心应手，而对于复杂曲面尤其是曲率变化表面却束手无策，这是由于三轴无法确保激光光束始终垂直于待加工任意三维表面，这极大限制了激光直写技术在三维曲面保形电子领域的应用。

图1 (a) 激光诱导石墨烯；(b) 过渡金属硫化物电催化剂；(c) 磁性响应软材料；(d) 金属有机框架。

有鉴于此，课题组提出了一种基于激光直写技术的五轴联动激光平台，该平台拥有五个自由度，包括沿XYZ三轴的线性运动和绕XZ二轴的转动构成 (图2a)。该自由曲面激光工艺的优势为：(1)简化三维曲面保形电子制备过程的转移步骤；(2)实现三维曲面保形电子的准确定位到复杂曲面；(3)既可以处理包括面包、聚合物和天然木在内的材料，又可以处理具有不同粗糙度的凸凹面；(4)确保电子与基底的完全贴合。文章首先证明该技术制备的材料具有性能一致性，其次证明使用该技术在天然贝壳表面制备的电极材料显示出良好的温度、紫外线和氨气探测性能，及无线传输电路。文章最后演示将该技术制备的激光诱导石墨烯应力传感器与人工智能结合用于智能家居的巨大应用前景 (图2b)。此工作以题为“Direct Freeform Laser Fabrication of 3D Conformable Electronics” 发表在《Advanced Functional Materials》(2021 Impact Factor = 19.924)。

图2 (a) 具五轴自由曲面激光系统；(b) 由该技术加工的各类功能材料及其应用示例。

如图3所示，研究人员发现，相比于常见的三自由度平台，五自由度平台能够更灵活准确的应对曲率的变化。以激光诱导石墨烯（LIG）为例，在曲面上制备的激光诱导石墨烯有着一致的拉曼光谱及电阻。自由曲面激光工艺可以处理包括来源于不同材质的光滑/粗糙凸面与光滑凹面。

图3 （a）三轴和五轴激光的运动轨迹对比，（b-g）在球面上合成的LIG以及其性能参数，（h）不同的基底的3D扫描模型和其对应的激光运动轨迹以及激光处理结果

之后，研究人员使用自由曲面激光在贝壳上制作出了用于感知温度和紫外线的银电极，测量氨气浓度的二氧化钼电极（图4），以及配合控制器和光敏电阻使用的无线传输银电路（图5）。这些传感器和电路器件都表现出了优异的性能。

图4 （a-d）银电极温度传感器以及其性能数据，（e-h）银电极紫外线传感器以及其性能数据， （i-l）二氧化钼氨气浓度传感器以及其性能数据。

图5 （a-b）在贝壳内部制作的银电路，所用器件有BLE微控制器，贴片LED，光敏电阻和分压电阻。（c）系统结构框图和智能手机端app界面，（d-f）光强的变化使光敏电阻分压变化，进而使微控制器输出变化的电压点亮LED。

最终，如图6所示，研究人员使用自由曲面激光在仿真植物上合成了LIG并用其测量气流引起的应变。结合多种机器学习模型，该气流感知系统被证明能够用来准确预测风速和风向，其为未来的物联网智能家居设计和应用提供了新的设计思路。

图6 (a) LIG传感器附着在人工树上。(b）风速传感表现。（c）传感器对不同风速和不同风向的传感表现。(d) 不同机器学习模型在分辨风向上的表现。

通过以上多种实践应用以及性能参数表征，研究人员证明了自由曲面激光工艺在与基底完全贴合的三维曲面电子设备的制备上的优势。该工艺能时刻保持激光与目标曲面垂直，所制备的器件与目标基底完全贴合，是一种一步到位的无需掩模的先进加工工艺。为未来三维电子在可穿戴设备，人机互动，机器人，环境监测，物联网等领域等应用开辟了新的方法，应用前景广阔。