一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件的方案地矿
时间：2022/07/14 16:23:48 编辑：
2017-09-18 17:20:06来源： 贤集网
最近，美国麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室（CSAIL）和马塞诸塞大学安姆斯特分校的科研人员，在《ACS Applied Materials&Interfaces》上发表了一篇论文，其中描述了一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件的方案，该方案让组件自己折叠成期望的形状。
为了演示该方案，研究人员设计了一种自折叠（self-folding）可印刷的电子器件，它包含电线和聚合物“像素点”。该“像素点”随着施加电压的变化，可以从透明变为不透明。该器件外表看起来有点像字母“H”，但每条腿都可以向两个方向折叠，形成一个桌子的形状。
技术
从技术的角度，一般来说，3D打印技术会通过特定架构，设计出小型电子组件。但是，该工艺速度比较缓慢，成本相对较高，还会带来结构性缺陷。所以科学家一直致力于开发各种新方法，生产出能够在印刷后折叠的平面电子器件。但是，如果要将这些器件折叠成期望形状，需要额外步骤或者特殊条件，例如暴露于光线中或者浸入液体中。对于电子产品来说，这将影响其性能。
然而，新方案正是为了突破这些限制。研究人员制造出一种新型油墨，它含有丙烯酸酯（acrylate）单体（monomers）和低聚物（oligomers），并可以通过紫外线固化处理。这种新型油墨材料是这项技术的最关键之处。油墨在凝固后会膨胀。这一点非同寻常，因为大多数的印刷油墨材料，在凝固后都会发生轻微的收缩。
通常来说，印刷电子器件通常是逐层构建的。在原型设计中，研究人员将膨胀材料放置到准确的位置，即顶部或者底部的几层中。在构建各层时，底层轻微地与印刷平台粘在一起，粘性足以保持器件扁平。一旦器件的制造完成时，它会从平台上脱落，且无需任何外界刺激，由新材料制成的关节便开始膨胀，将器件朝着相反的方向弯曲，膨胀力会使它自己折叠成预定的形状。
与笔者介绍过的许多创新发现一样，这一发现也是机缘巧合。研究人员在研究可以让印刷电子器件更具柔性的油墨的过程中，无意中发现了一种材料在变硬后会发生膨胀。他们立刻意识到需要挖掘这种聚合物材料的潜在功用，开始尝试对于复合物进行修改，直到找到一个配方，制造出一种关节，足以膨胀到让一个印刷器件对折。
下面，我们通过研究人员论文中一张非常重要的示意图，帮助大家深刻理解这一技术。该复合物含有的有源电子器件、金属痕迹、基底都全部是通过3D打印制造的。一旦从印刷平台移除3D打印的结构，复合物在室温条件下，无需任何外部刺激，就可以基于局部残余的应力，自主地折叠成一种形状。
这个机制的核心是一种可用紫外线固化的油墨，它含有高延伸率的丙烯酸酯低聚物和短链单体（例如丙烯酸异辛酯）。作为逐层喷墨打印的3D打印技术的一部分，每一次之前的固化（轻度交叉结合）层，厚度约17μm，会与相邻层未固化的油墨相接触。油墨中的小分子让下面的固化层发生膨胀，产生一个局部的残余应力。图片底部的圆形特写显示：残余应力材料在固化之前和之后的情况；刚性材料与应力的生成机制无关。用于直接写入内部残余应力的材料与刚性的、紫外线固化的丙烯酸酯相互结合，通过控制材料的放置与位置，产生出所需角度的凹凸褶皱。弹性导体所连接的有源电子器件，都在同一系统中印刷。
价值
短期内，这项技术将带来传感器、显示器、天线（功能性取决于其三维外形）的定制生产。长期来说，研究人员希望可以打印机器人。
北卡罗莱纳州立大学化学工程教授Michael Dickey表示：
“这项研究非常振奋人心，因为它提供一种在三维物体上创建功能性电子器件的途径。特别是对于那些以二维平面形式完成的电子工艺来说，需要的是一个平面。在这里，这项技术提供了一种创建电子产品的新方法，它使用二维表面上的传统平面技术，使之转化为三维形状，同时保持电子产品的功能性。这种转变是通过一种聪明的方法，在印刷过程中将应力添加到材料中。”