清华大学邹贵生/刘磊等：325%可拉伸导体！仿生双尺度裂纹调控的金属薄膜导体用于 AI 电子皮肤

Bioinspired Dual-Scale Crack Manipulation Enabling 325%-Stretchable Metal Film Conductors for AI-Empowered Electronic Skins

Tianming Sun‡, Bin Feng‡, Guisheng Zou*, Jinpeng Huo, Bo Bi, Jin Peng, Zehua Li, Gongbo Bian, Bingang Xu, Lei Liu*

Nano-Micro Letters (2026)18:318

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02152-5

本文亮点

1. 受植物叶片结构启发，本研究构建了一种微纳/双尺度的分级架构，成功在应变金属薄膜中诱导渐进演化的裂纹形态，从而实现了对薄膜可拉伸性能高达25倍的有效调控，使其应变量程由12%提升至325%。

2. 基于应变量程宽范围可调控的金属薄膜导体，本研究开发了一种AI驱动的智能电子皮肤，并在人体运动监测、手语翻译和语音识别方面展现出良好的应用前景。

3. 本研究重新诠释了金属薄膜裂纹在可拉伸电子器件中的作用，将其从破坏性的失效机制，转变为按需调控薄膜电机械性能的强大设计工具。

研究背景

在“万物互连”时代下，蓬勃发展的电子皮肤通过模仿真实皮肤的感知功能，正在重新定义人类与物理世界的互动方式。当前，电子皮肤正处于迈向商业化的关键转折点，这极大地推动了对低成本、性能稳定且适合规模化生产的材料需求。金属薄膜凭借其优异的物理性能、丰富的资源储备以及成熟的制造工艺，成为柔性功能材料的理想选择。然而，金属薄膜本征拉伸性能较差，极大地限制了其在柔性电子领域的应用。因此，开发具备超拉伸性能且工作量程可调控的金属薄膜是实现可拉伸电子皮肤产业化的关键步骤。

内容简介

电子皮肤商业化的发展进程要求开发兼具成本效益与性能稳定的柔性功能材料。金属薄膜虽极具吸引力，但其本征拉伸性差的问题长期存在。传统观点认为，应变金属薄膜中形成的裂纹普遍有害，因此成为人们力图抑制的对象。清华大学邹贵生教授、刘磊副教授团队通过研究证明了金属薄膜中的裂纹并非缺陷，而是一种可实现按需定制薄膜电机械性能的有效设计参数。借助裂纹工程中的尺寸效应，研究团队提出了一种仿生微纳双尺度分级架构，使金属薄膜导体的可拉伸性能高达325%。研究表明，通过纳米尺度孔隙植入与微米尺度基底粗糙化的协同作用，并结合结构参数的精细调控，可在应变的金属薄膜中实现渐进演化的裂纹形态。这种可控的薄膜开裂行为使其拉伸性能实现了近25倍的有效调控(12%至325%)，在现有沉积态金属同类材料中展现出极为宽泛的可调区间。基于这种应变量程宽范围可调控的金属薄膜，研究团队构建了一种AI驱动的智能电子皮肤，并在多种柔性传感场景中验证了其良好的实用性。该工作凸显了尺寸效应在裂纹调控中的关键作用，所建立的多尺度调控范式为提升金属薄膜性能开辟了新路径。

图文导读

I 微纳/双尺度裂纹工程策略设计理念

受叶片结构的可拉伸金属薄膜设计理念如图1所示。在自然界植物叶片中，宏观叶脉与微观气孔分别通过机械载荷的重新分布和局部应力的释放，实现关键性的应变管理。受这种独特的生物结构启发，本研究开发了一种微纳/双尺度分级架构：微米级表面结构(即微凸起)如同叶脉一般重新分布应力，而金属薄膜中植入的纳米孔隙则模仿气孔，实现局部应力松弛。通过调控该分级结构的设计参数，可在应变金属薄膜中诱导出渐进演化的裂纹形态，从而赋予薄膜广泛可调控的电机械性能，使其能够用作电子皮肤中的多种柔性组件。

图1. 基于微纳/双尺度裂纹工程策略的叶片结构仿生金属薄膜导体设计理念与综合性能。

II 微纳/双尺度分级架构操纵的薄膜开裂行为及内在机理

本研究对微纳/双尺度分级设计的金属薄膜在不同拉伸应变下的表面形貌进行了研究(图2)。一般而言，沉积在光滑基底上的致密金属薄膜在小应变下(＜20%)即会形成贯穿性裂纹，从而导致灾难性的电学失效。在本研究中，首先引入了具有微凸点结构化的柔性基底来调控应变金属薄膜的开裂行为，使其在受到应变时呈现出蜿蜒状的裂纹特征。进一步地，通过在薄膜中植入纳米尺度的孔隙缺陷，继续调控薄膜开裂行为。提高薄膜沉积过程中的腔室气压，可使薄膜结构从致密态转变为疏松态，从而诱导出细密的网状裂纹。有限元分析表明，微凸点底部在拉伸过程中产生显著的局部应力集中，促使高密度短裂纹形成，从而快速释放应变能，抑制长直裂纹的扩展；与此同时，微凸点顶部因应力较小，裂纹形成得以延迟。这种应力再分布机制使得金属薄膜在大应变下仍能维持基本导电通路。而纳米尺度的孔洞作为更局部的应力集中点，促使薄膜形成更为细小的网状裂纹，即使在超高应变下仍能保持导电网络的完整性。这种双尺度协同机制最终将金属薄膜的拉伸性能从12%提升至325%，实现了近25倍的调控范围，为开发高性能可拉伸金属薄膜导体提供了新的设计范式。

图2. 微纳/双尺度裂纹操控的金属薄膜开裂行为与调控机制。

III 裂纹调控金属薄膜的机电性能及其作为多功能柔性组件的应用

通过在薄膜内植入纳米尺度的孔隙缺陷，并结合具有微凸点结构化的柔性基底，即可实现薄膜开裂行为从贯穿性裂纹向蜿蜒状裂纹，最终向细密网状裂纹的逐步演化。这种裂纹形态的演化必然会对薄膜的电机械性能产生显著的影响。如图3所示，金属薄膜的可拉伸性能从12%逐步提升至75%、145%、225%，最终达到325%。薄膜特性也呈现从高应变灵敏型向应变不敏感型的连续转变。具体而言，沉积在光滑基底上的致密金属薄膜具有高灵敏度(GF达3391.3)和快速响应/恢复(50/70 ms)，适用于高精度应变与温度传感。仅引入微米尺度结构化基底的金属薄膜可在0~80%宽应变范围内实现稳定传感，并展现出良好的循环稳定性(>1400次)，适用于宽量程的应变传感器。而同时施加微纳/双尺度调控的金属薄膜则表现出卓越的应变不敏感特性(在325%应变下ΔR/R0仅为3.51)，其电阻能在弯曲、扭转及150%循环拉伸应变下仍能保持高度稳定。该类薄膜可用于构建可拉伸LED回路，并作为Type C数据线组件在复杂变形下维持手机正常充电。在此基础上，研究团队进一步构建了全金属薄膜基电子皮肤，其集成有柔性力学传感器、温度传感器及可拉伸电极/电路。

图3. 基于微纳/双尺度分级架构的金属薄膜电机械性能调控及其多功能柔性组件应用。

IV AI驱动的智能传感应用

本研究对基于微纳/双尺度分级设计的金属薄膜实用性进行了验证(图4)。得益于其显著提升的应变传感范围，该金属薄膜基应变传感器可用于人体运动监测与医疗健康领域。将传感器贴附于面部及身体各关节，可精准检测皱眉、眨眼、吞咽、手指弯曲、肘膝活动等多种动作，所采集的信号具有良好的可重复性与区分度。基于上述优势，研究进一步探索了该传感器在手语转译和语言识别中的应用。将五个独立的传感器分别贴附于五根手指上，实时采集不同手势(美式手语-ASL)下各手指的弯曲应变信号，形成独特的五通道信号模式，从而实现手势向字符信息的翻译，如“AI 2025”、“I love you”等。结合卷积神经网络(CNN)模型，对8类手势共480组数据进行训练与测试，识别准确率超过95%。此外，将传感器贴附于喉咙部位，可动态捕捉语音过程中的高频振动信号。不同单词或短语(如“No”、“Sensor”、“THU”)呈现出特征各异的波形。通过提取时域特征向量并输入CNN模型，对3类词语共180组数据的识别准确率同样超过95%。本研究将金属薄膜基的柔性应变传感器与深度学习算法相结合，构建了AI增强的手势与语音识别系统，为残障聋哑人士的沟通辅助提供了新的技术思路。

图4. 金属薄膜基应变传感器在人体运动监测与AI赋能传感中的应用。

V 总结

本研究从根本上重新诠释了应变金属薄膜中裂纹的角色，将其从一种破坏性的失效机制转变为可按需调控薄膜电机械性能的强大工具。基于仿生微纳双尺度分级架构，研究通过纳米尺度孔隙植入与微米尺度基底粗糙化的协同作用，在应变金属薄膜中实现渐进演化的裂纹形态，即从贯穿性裂纹转变为蜿蜒状裂纹，最终演变为细密的网状裂纹。由此，金属薄膜实现了拉伸性能近25倍的有效调控(从12%提升至325%)，将传统脆性金属薄膜转化为兼具可拉伸性与可调性的导体，既可用作宽量程应变传感器，也可用作应变不敏感型电极/电路。该策略在多种常见金属材料(Ag、Cu、Pd和Ag-Cu合金)中均展现出优异的普适性。基于应变量程宽范围可调控的金属薄膜，研究团队构建了AI驱动的智能电子皮肤，其在人体运动监测、手语翻译和语音识别等多种柔性传感场景中展现出良好的实用性。这种面向可拉伸金属薄膜导体设计的仿生多尺度调控范式，不仅为有效利用裂纹工程中的尺寸效应提供了新思路，也加速了柔性电子器件的商业化进程。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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