造成穿戴式電子設(shè)備故障的常見(jiàn)原因是剛性電氣元件與符合人體運(yùn)動(dòng)的軟質(zhì)柔性材料之間的失配。這種失配集中在軟硬材料連接的應(yīng)力處。如今，研究人員已經(jīng)創(chuàng)造出了一種新的軟電子添加劑制造技術(shù)，稱為混合3D印刷技術(shù)，將柔性導(dǎo)電油墨和熱塑性聚氨酯(TPU)與剛性電子元件集成到一個(gè)單一的可拉伸裝置中。研究人員認(rèn)為這是制造可定制、可穿戴電子產(chǎn)品的第一步，其成本低于當(dāng)前設(shè)備，同時(shí)機(jī)械穩(wěn)定性也很好。
由混合3D打印生產(chǎn)的平板熱塑性聚氨酯片上的12個(gè)發(fā)光二極管(LED)組成的裝置被重復(fù)彎曲成圓柱形，然而LED的光強(qiáng)度不會(huì)降低、裝置也不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障。 圖片由哈佛大學(xué)Alex Valentine，Lori K. Sanders和Jennifer Lewis提供。
這個(gè)重大突破是由哈佛大學(xué)威斯利生物啟發(fā)工程研究所的Jennifer Lewis實(shí)驗(yàn)室和哈佛約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和J. 美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的Daniel Berrigan博士和Michael Durstock博士共同發(fā)現(xiàn)的。以下轉(zhuǎn)載的Wyss Institute網(wǎng)站上的新聞稿詳細(xì)描述了這項(xiàng)研究，《高級(jí)材料》雜志刊登了一篇關(guān)于這項(xiàng)研究的論文。
可拉伸導(dǎo)電油墨由混合著薄片的TPU制成。印刷純TPU和銀-TPU油墨，以分別創(chuàng)建設(shè)備的底層軟基板和導(dǎo)電電極。即將成為Wyss研究所的工程師但是目前是波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)生Alex Valentine表示，“因?yàn)榛搴碗姌O都包含TPU，當(dāng)它們被逐層共印后，在干燥之前就彼此強(qiáng)烈地粘合在一起，溶劑蒸發(fā)后，兩種油墨都會(huì)固化，形成一個(gè)既柔軟又可拉伸的集成系統(tǒng)?！?br />
印刷過(guò)程導(dǎo)致導(dǎo)電油墨中的銀薄片沿著打印方向自我對(duì)準(zhǔn)，因此它們平坦的板狀側(cè)面彼此在頂部疊層，如在森林土地上的重疊葉片。這種結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)提高了沿印刷電極傳導(dǎo)電能的能力。Will Boley博士說(shuō)，“由于墨水和基材是3D印刷的，我們可以完全控制導(dǎo)電特征圖案的位置，并且可以設(shè)計(jì)電路來(lái)創(chuàng)建幾乎每個(gè)尺寸和形狀的軟電子設(shè)備，”Boley是SEAS的Lewis實(shí)驗(yàn)室博士后研究員及本文的合著者。
研究人員將由導(dǎo)電材料組成的軟傳感器在拉伸時(shí)呈現(xiàn)的導(dǎo)電性的變化(即它們?nèi)绾螜z測(cè)移動(dòng))與可編程微控制器芯片耦合以處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及以人類可以理解的形式傳達(dá)數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員將印刷的軟傳感器與數(shù)字拾取和放置過(guò)程相結(jié)合，該過(guò)程通過(guò)空的印刷噴嘴施加適度的真空，以拾取電子元件并以特定的可編程方式將其放置在基板表面上。
因?yàn)檫@些表面安裝的電氣部件本質(zhì)上是堅(jiān)硬和剛性的，所以在將其連接到下面的軟TPU基板之前，團(tuán)隊(duì)利用了TPU的粘合性能，在每個(gè)部件下方涂一點(diǎn)TPU墨水。一旦干燥，TPU點(diǎn)錨定這些剛性部件并在整個(gè)矩陣中分布應(yīng)力，允許裝置在保持性能的同時(shí)被拉伸至30%。由使用該方法制造的平坦TPU片上的12個(gè)發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成的裝置能夠反復(fù)彎曲為圓筒形，而不會(huì)導(dǎo)致LED的光強(qiáng)度降低或器件的機(jī)械故障。
作為一個(gè)簡(jiǎn)單的概念驗(yàn)證，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了兩個(gè)軟電子設(shè)備來(lái)演示這種添加劑制造技術(shù)的全部功能。通過(guò)將TPU和銀-TPU-墨水電極印刷到紡織品基底上并通過(guò)拾取和放置方法應(yīng)用微控制器芯片和讀出的LED來(lái)制造應(yīng)變傳感器。所產(chǎn)生的可穿戴套筒狀裝置表示穿過(guò)者的手臂通過(guò)LED的連續(xù)照明的彎曲程度。通過(guò)印刷交替層的導(dǎo)電銀-TPU電極和絕緣TPU來(lái)形成第二裝置，即人的左腳印形狀的壓力傳感器，以在柔性TPU襯底上形成電容器。變形圖案通過(guò)手動(dòng)電讀取系統(tǒng)進(jìn)行處理，以在人們踏上傳感器時(shí)制作腳的視覺(jué)圖像。
當(dāng)團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化材料和方法時(shí)，混合3D打印已廣泛適用于制造無(wú)數(shù)電子設(shè)備。Lewis說(shuō)：“我們已經(jīng)擴(kuò)大了可打印電子材料的調(diào)色板，并擴(kuò)展了可編程的多材料打印平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)電子元件的數(shù)字化選擇?！?br />
Wyss創(chuàng)始總監(jiān)，同時(shí)也是哈佛醫(yī)學(xué)院的血管生物學(xué)和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)教授，以及哈佛SEAS生物工程教授的Don Ingber博士說(shuō)，“這種新方法是將Wyss研究所與許多其他實(shí)驗(yàn)室區(qū)分開(kāi)來(lái)的跨學(xué)科合作工作的一個(gè)很好的例子，通過(guò)將3D打印的物理精度與電子元件的數(shù)字可編程性相結(jié)合，我們正在建設(shè)未來(lái)?！?br />
這項(xiàng)研究獲得了空軍研究實(shí)驗(yàn)室材料與制造局和UES，海軍研究辦公室的Vannevar Bush教授獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃，GETTYLAB以及哈佛大學(xué)Wyss學(xué)院的支持。
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