研究人员开发了一种用水凝胶和液态金属制造微型可拉伸天线的新方法。这些天线可用于可穿戴和灵活的无线电子设备，以提供设备和外部系统之间的链接，以实现电力传输、数据处理和通信。
“利用我们的新制造方法，我们证明了液态金属 天线的长度可以减半，”中国西安交通大学的陈涛说。“这可能有助于缩小用于健康监测、人类活动监测、可穿戴计算和其他应用的 可穿戴设备的尺寸，使它们更加紧凑和舒适。”
在《Optics Express》杂志上，研究人员描述了他们的新技术，其中包括将共晶镓铟（一种在室温下为液体的金属合金）注入通过单步飞秒激光烧蚀工艺创建的微通道中。他们使用这种方法创建了一个尺寸为 24 毫米 × 0.6 毫米 × 0.2 毫米的天线，嵌入到 70 毫米 × 12 毫米 × 7 毫米的水凝胶板中。
“例如，可拉伸且灵活的天线可用于监测温度、血压和血氧的可穿戴医疗设备，”陈说。“单独的移动设备可以通过柔性天线连接到更大的控制单元，从而传输数据和其他通信，形成无线体域网。由于柔性天线的谐振频率随施加的应变而变化，因此它们也可能被用作可穿戴运动传感器。”
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Jian Hu合作进行的研究，其中研究人员开发了一种利用飞秒激光烧蚀制造嵌入水凝胶中用于应变传感的3D银结构的方法（合作研究）与胡健教授）。
“银结构的拉伸性很差，因为它们非常脆弱，”陈说。“使用液态金属代替固态金属结构不仅使金属更容易填充水凝胶微通道，而且还提高了其拉伸能力。”
为了制造液态金属偶极子天线（最简单且使用最广泛的天线类型），研究人员扫描飞秒激光，在水凝胶内形成一对对称的微通道，而不损害表面。激光的短脉冲持续时间产生高峰值功率，允许通过多光子吸收等非线性光学效应烧蚀透明材料，从而确保烧蚀仅发生在激光的精确焦点处。
然后他们将液态金属注入微通道中，形成可用作天线的水凝胶嵌入线。
他们选择水凝胶作为基底，因为与聚二甲基硅氧烷（PDMS）和其他传统聚合物基底相比，它具有更有利的介电性能，使天线的长度减少一半。基于水凝胶的装置也可以拉伸到几乎原来长度的两倍。
然而，基于水凝胶的液态金属装置通常是使用激光在顶面上雕刻凹槽，用液态金属填充它们，然后将图案化基底与未雕刻基底粘合在一起来制造的。
“使用我们的方法，可以使用单个制造步骤将微通道嵌入水凝胶中，无需层粘合，”陈说。“此外，通过飞秒激光3D扫描可以轻松形成3D微通道和液态金属结构，这使得制造具有复杂结构的2D或3D柔性天线以增强性能和功能成为可能。”
制作可拉伸天线
为了演示新的制造方法，研究人员准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。这些实验表明，纯水凝胶反射了几乎所有的入射电磁波能量，而嵌入水凝胶中的液态金属偶极子天线将大部分入射电磁波有效地辐射到自由空间，只有不到10%在谐振频率处被反射。
他们还表明，通过将施加的应变从 0% 改变到 48%，天线的谐振频率可以从 770.3 MHz 调谐到 927.0 MHz。
研究人员目前正在努力改进激光诱导微通道上使用的密封技术，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应用这种新方法来开发具有复杂 2D 或 3D 结构的完全灵活的多维应变和压力传感器。
