本文由Yongan Huang、Hao Wu、Chen Zhu、Wennan Xiong、Furong Chen、Lin Xiao、Jianpeng Liu、Kaixin Wang、Huayang Li、Dong Ye、Yongqing Duan、Jiankui Chen、Hua Yang、Wenlong Li、Kun Bai、Zhouping Yin和Han Ding等人共同完成，主要作者来自华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室和柔性电子研究中心。该研究于2021年8月6日发表在期刊 International Journal of Extreme Manufacturing 上，论文题目为“Programmable robotized ‘transfer-and-jet’ printing for large, 3D curved electronics on complex surfaces”。

该研究属于柔性电子制造与先进制造技术领域。随着机器人触觉感知、飞行器智能蒙皮、结构健康监测以及半球形电子眼等新兴应用的发展，对大尺寸、三维曲面电子系统的需求日益增加。传统的二维平面集成电路制造技术依赖于硅晶圆或玻璃基板，其固有的平面化加工过程难以满足复杂曲面共形集成的要求。曲面电子需要将刚性芯片、柔性传感器和大面积互连电路集成在非平面基底上，这对制造过程中的定位、图案化和器件转移提出了巨大挑战。该研究旨在突破二维平面微加工在几何形状和尺寸方面的根本限制，提出一种可重构、无掩模、共形的制造策略，即机器人化“转移-喷射”打印，以实现复杂表面上多种电子器件的集成。

该研究的核心工作流程包括多个关键环节。首先，研究团队采用三维激光扫描系统获取任意曲面基底的点云数据，并通过离群点去除、法线估计和自适应距离优化算法将实际曲面与计算机辅助设计模型进行配准，实现三维到三维的表面映射，为后续路径规划提供几何基础。同时，为了在曲面加工过程中实现局部精确定位，研究团队提出了一种基于形状上下文的可变形表面定位算法，通过机器视觉获取二维图像，并利用改进的多边形近似方法提取特征点，再通过五步动态规划算法实现模板图像与搜索图像的匹配。此外，还采用墨卡托投影等三维到二维映射方法，将曲面电路展开为平面设计图案，以指导后续光刻或激光雕刻过程。

在器件转移方面，研究团队开发了激光剥离（laser lift-off, LLO）技术与灵巧机器人手掌相结合的转移打印方法。LLO系统采用波长为308 nm的准分子激光，通过光束整形和能量调节，在透明供体基底与柔性器件之间的牺牲层处产生熔化、汽化或分解，从而将刚性芯片或柔性电子器件从基底上剥离。对于厚度极薄的聚酰亚胺薄膜，激光剥离过程存在平坦、褶皱和断裂三种结果，研究团队通过实时监测柔性应变传感器的电阻变化来反馈工艺状态并优化工艺窗口。实验表明，在激光能量密度为93 mJ/cm²、累积脉冲数为10的条件下，厚度为2 µm的柔性应变传感器可无损伤地从玻璃基底上释放，电阻变化小于5%。灵巧机器人手掌由电机阵列驱动的自适应印章、可调正负压的空气腔和透气弹性膜组成，能够通过真空或静电吸附拾取柔性器件，并将其主动变形至目标曲面形状，然后通过正压将器件贴附于凹面、凸面或球面等复杂表面。对于非可拉伸器件在刚性不可展曲面上的共形贴附问题，研究团队提出了最大应变的标度律模型，以预测和避免器件失效。

在图案化制造方面，研究团队开发了多模式电流体动力学（electrohydrodynamic, EHD）打印技术。EHD打印利用电场力从喷嘴拉出射流，其分辨率可达100 nm，比传统喷墨打印高两个数量级，并且不受喷嘴内径限制。该技术兼容粘度范围从1到10000 cps的墨水，能够打印聚合物溶液、银浆甚至熔融液体，从而克服了传统喷墨打印对低粘度墨水和曲面液滴滑动的限制。研究团队设计了一种集成静电透镜的EHD打印头，可在打印头与基底之间无电压或低电压条件下产生泰勒锥和射流，从而消除基底曲率和打印高度变化对电场均匀性的影响，实现任意绝缘或曲面基底上的直接打印。EHD打印可实现三种模式：按需滴注用于小点阵列、连续直写用于精细线条、电喷雾用于纳米薄膜。通过调节墨水参数和打印参数，可在柔性或曲面基底上制备分辨率从0.1 µm到100 µm的点阵、直线与蛇形互连导线以及高均匀性纳米薄膜。此外，EHD光刻技术可直接在曲面上形成光刻胶图案，无需物理掩模，突破了传统光刻在曲面上的限制。

研究团队还集成了大气压室温等离子体射流技术，用于曲面电子的选择性表面处理。等离子体射流可通过扫描方式在环境条件下实现表面清洗、化学改性、反应离子刻蚀、氮掺杂和纳米焊接。通过调节等离子体射流直径，空间分辨率可从1 mm以上控制到约10 µm。该技术已成功用于碳纳米管薄膜的图案化刻蚀、石墨烯的定点氮掺杂、可拉伸碳纳米管/聚二甲基硅氧烷薄膜的表面润湿性调控以及银纳米线的冷焊接。等离子体处理与EHD打印和转移打印共享控制系统和末端执行器，通过更换打印头即可在同一设备上实现多种工艺。

在应用验证方面，研究团队制造了多种曲面电子器件。在曲面玻璃上通过EHD光刻制备了透明金属网格电极，并成功制造了共形加热器和球面共形天线。加热器的温度分布均匀，天线采用宽10 µm的金属网格蜿蜒线形式制备于凹半球表面。研究团队还制造了大面积柔性智能感知蒙皮，该蒙皮安装在超过30 cm × 50 cm的尾翼模型和NACA0012翼型模型上。其基本单元包括一个刚性电容-数字转换芯片、15个柔性压电传感器用于脉动压力检测、14个柔性电容传感器用于静态压力测量、5个柔性电阻传感器用于温度和应变测量，以及大面积导电线互连。实验结果表明，在固定攻角下，随着风速增加，电容传感器输出的静态压力持续下降；在正攻角15°时，翼型前缘压力急剧下降并变为负值，中间区域压力保持稳定，后缘压力逐渐增加。压电传感器的输出显示后缘脉动压力在攻角15°时急剧上升，表明发生了气流分离。

该研究的结论指出，机器人化“转移-喷射”打印技术能够将刚性芯片、柔性传感器和共形电路集成在三维曲面上，其制造过程具有可编程、无掩模、非接触和数字化的特点。该技术克服了二维平面微加工在几何形状和尺寸上的根本限制，实现了从“小面积”到“大面积”、从“平面”到“曲面”、从“刚性”到“柔性”以及从单一增材或减材工艺到混合工艺的制造范式转变。其科学价值在于提出了一种通用的曲面电子制造策略，将表面测量、三维重构、路径规划、激光剥离、共形转移、EHD打印和等离子体处理等多种工艺模块化集成。其应用价值体现在飞行器智能蒙皮、曲面天线、共形加热器和柔性传感系统等领域的实际制造能力，为研发型生产中设计、测试与制造的一体化提供了有效手段。

该研究的亮点包括：第一，提出并建立了机器人化“转移-喷射”打印系统，实现了多种制造工艺的灵活组合与可编程控制；第二，开发了静电透镜集成EHD打印头，解决了绝缘和曲面基底上电场稳定性问题；第三，建立了基于形状上下文的可变形表面视觉定位算法，提高了曲面加工中的局部定位精度；第四，实现了超薄柔性电子的无损激光剥离与灵巧机器人手掌共形转移；第五，将大气压等离子体射流技术集成到同一制造平台中，实现了刻蚀、掺杂、润湿性调控和纳米焊接等多功能处理。其他有价值的内容还包括对表面映射技术（三维到三维、二维到三维、三维到二维）的系统比较，以及对激光剥离工艺窗口与薄膜厚度关系的定量分析。