一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件

2020-02-24 05:22:29 来源: 滨州信息港

一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件的方案

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 MaterialsInterfaces》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。”

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