近日，浙江清华柔性电子技术研究院受邀作为通讯单位在著名期刊ACS NANO上发表题为“三维曲面共形电子：设计、制造及应用”（3D Conformal Curvy Electronics: Design, Fabrication, and Application）的综述文章。作为柔性电子技术领域的国家战略科技力量，柔电院依托其领先的"设计-制造-应用"全链条研发体系，首次从结构设计、界面工程到系统集成维度构建了三维曲面电子器件的体系框架。文章从曲面共形的力学设计出发，深入讨论了在器件材料、结构设计、共形界面、共形性评估等关键方面的设计策略。文章系统总结了典型的三维曲面电子器件的共形制造技术，并强调了该类器件在生物医疗、机器人、无人平台赋能、光学宽场成像、电磁/超声波束控制等领域的创新应用。最后，文章分析了当前三维曲面共形电子器件所面临的挑战，并提出了未来值得进一步探索的研究方向，为该领域的持续发展提供了有益的思路与启发。
图1. 三维曲面共形电子器件
文章梳理了近20年来三维曲面共形电子器件的发展历程和代表性进展，在此基础上指出了未来三维曲面共形电子的发展趋势：（1）集成更多功能模块，实现更加丰富和多样的器件功能；（2）实现与更复杂的目标曲面的高效共形集成；（3）在目标三维曲面上实现更高的集成度、更大规模的系统集成，以满足复杂应用场景的需求。
图2. 三维曲面共形电子器件的发展历程和未来趋势
经典的“高斯绝妙定理（Gauss Theorema Egregium）”表明，当目标三维曲面是非可展曲面时，器件在共形集成过程中不可避免会产生局部拉伸或压缩变形。在曲面共形力学设计的理论指导下，为提升器件与目标曲面之间的共形性，从材料、结构、界面，共形性定量评估等方面提供了系统性的解决方案。
图3. 三维曲面电子器件的共形设计策略
文章重点总结了三维曲面电子器件的三类主流的共形制造技术：曲面直接制造技术（Direct fabrication on curvy surface）、曲面共形转印技术（Conformal transfer printing）、曲面共形重构技术（Conformal shape reconfiguration）。从材料性能、工艺兼容性、曲面适应性、器件集成水平等多维度分析了各类技术的优势和面临的挑战，为推动共形制造技术的创新与落地提供了新思路与技术参考。
图4. 三维曲面电子器件的共形制造技术
文章重点梳理了三维曲面共形电子器件的典型应用，按照不同的目标三维曲面将应用场景分为以下几类。（1）与生物组织共形集成（Conformal with biological tissues）。复杂三维曲面普遍存在于生物组织中，如皮肤、心脏、大脑、角膜等。器件与三维生物组织进行共形集成时，可实现生理信号监测、外周神经刺激、疾病综合诊断等多种生物医学功能，为智能诊疗提供有力支撑。（2）与机器平台共形集成（Conformal with machines）。将三维曲面电子器件与机器人、机械手、无人机、飞行器等平台进行共形集成时，可赋予其多模态感知、结构轻量化、结构健康监测等关键功能。这种融合不仅提升了系统的智能化水平与环境适应能力，也为智能制造、柔性机器人、人机界面等方面的发展提供了新路径。（3）与功能化曲面共形集成（Conformal with function-engineered curvy surfaces）。与传统的平面器件相比，三维曲面电子器件在集成至功能化曲面时，凭借其三维空间构型优势，展现出更优异的性能表现，从而更有效地满足特定功能需求。
图5. 三维曲面共形电子器件的应用
这项综述成果不仅彰显了柔电院在柔性电子技术基础研究与应用开发方面的领军地位，更凸显了其作为国家级创新平台的技术整合能力。依托在柔性材料、微纳制造、跨学科系统集成等领域的长期积累，柔电院正持续突破传统电子器件的形态限制，为机器人、航天航空、智能医疗、新一代通信等战略领域提供革新性解决方案。随着三维曲面电子技术从实验室走向产业化，柔电院打造的"基础研究-技术攻关-工程验证"创新链条，将为我国抢占柔性电子技术制高点注入强劲动能。该研究获得国家自然科学基金区域创新发展联合基金和浙江省重点研发计划支持。