西安交通大学：利用液态金属和激光烧蚀技术制造可拉伸微型天线

图为玻璃载玻片上的柔性可伸缩水凝胶液态金属天线。绿色板用于连接天线馈电的 SMA 连接器。资料来源：中国西安交通大学，陈涛

研究人员开发出了一种用水凝胶和液态金属制造微小可拉伸天线的新方法。这种天线可用于可穿戴和柔性无线电子设备，在设备和外部系统之间建立联系，以进行电力输送、数据处理和通信。

"来自中国西安交通大学的陈涛说："利用我们的新制造方法，我们证明液态金属天线的长度可以缩短一半。"这可能有助于缩小用于健康监测、人体活动监测、可穿戴计算和其他应用的可穿戴设备的尺寸，使其更加紧凑和舒适。"

在《光学快报》（Optics Express）杂志上，研究人员介绍了他们的新技术，包括将共晶镓铟--一种在室温下呈液态的金属合金--注入到用单步飞秒激光烧蚀工艺制造的微通道中。他们用这种方法制作了一个尺寸为 24 mm × 0.6 mm × 0.2 mm 的天线，嵌入 70 mm × 12 mm × 7 mm 的水凝胶板中。

"陈说："可伸缩的柔性天线可用于监测体温、血压和血氧等的可穿戴医疗设备。"独立的移动设备可以通过柔性天线连接到一个更大的控制单元，从而传输数据和进行其他通信，形成一个无线体域网络。由于柔性天线的共振频率会随施加的应变而变化，因此它们也有可能被用作可穿戴的运动传感器。

更柔韧的金属
这项工作源于之前与沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的胡健合作进行的研究，研究人员开发了一种方法，利用飞秒激光烧蚀技术（与胡健教授合作）制造出嵌入水凝胶中的三维银结构，用于应变传感。

"陈说："银结构的伸展性很差，因为它们非常脆弱。"使用液态金属代替固态金属结构，不仅能使金属更容易填充水凝胶微通道，还能提高其拉伸能力"。

为了制作液态金属偶极子天线--最简单也是应用最广泛的天线类型--研究人员扫描飞秒激光，在不伤害水凝胶表面的情况下，在水凝胶内部形成一对对称的微通道。激光脉冲持续时间短，峰值功率高，可以通过多光子吸收等非线性光学效应烧蚀透明材料，确保烧蚀只发生在激光的精确焦点上。
 

研究人员开发出了一种制造基于水凝胶的柔性可伸缩天线的新方法。这种天线可用于创建无线体域网络（a）。天线是通过向飞秒激光照射的嵌入式水凝胶微通道注入液态金属制成的（b）。资料来源：陈涛，中国西安交通大学

然后，他们将液态金属注入微通道，形成可用作天线的水凝胶嵌入金属丝。

他们之所以选择水凝胶作为基底，是因为与聚二甲基硅氧烷（PDMS）和其他传统聚合物基底相比，水凝胶具有更有利的介电性能，可以将天线的长度缩短一半。基于水凝胶的设备还可以拉伸到原始长度的近两倍。

然而，基于水凝胶的液态金属器件通常是用激光在顶面上刻出凹槽，用液态金属填充凹槽，然后将刻有图案的基底与未刻图案的基底粘合在一起。

"陈说："使用我们的方法，只需一个制造步骤就能将微通道嵌入水凝胶中，无需层层粘合。"此外，通过飞秒激光的三维扫描，可以轻松形成三维微通道以及液态金属结构，这使得制造具有复杂结构的二维或三维柔性天线以提高性能和功能成为可能。"

制作可拉伸天线

为了展示新的制造方法，研究人员制备了可拉伸偶极子天线，并测量了它们在不同频率下的反射系数。实验结果表明，纯水凝胶几乎反射了所有入射电磁波能量，而嵌入水凝胶的液态金属偶极子天线则将大部分入射电磁波有效地辐射到自由空间，在共振频率下的反射率不到10%。

他们还发现，通过将施加的应变从 0% 调整到 48%，天线的谐振频率可以从 770.3 MHz 调整到 927.0 MHz。

研究人员目前正在努力改进激光诱导微通道的密封技术，以提高柔性可拉伸天线的强度和液态金属泄漏的阈值应变。他们还计划探索如何将这种新方法应用于开发具有复杂二维或三维结构的全柔性多维应变和压力传感器。

参考资料

Pingping Zhao et al, Fabrication of a flexible stretchable hydrogel-based antenna using a femtosecond laser for miniaturization, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.496360

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