导读


最近,美国一支跨学科的科研团队协力合作,开发出一种用于柔性电子的新型增材制造技术,也称为“混合3D打印”,它将柔性导电油墨、柔性基质材料、刚性电子组件集成到单一、可拉伸的柔性电子设备中。


关键字


柔性可穿戴技术增材制造传感器


背景


为了适应身体的自由活动,皮肤必须能够弯曲和拉伸。同样,任何穿在身上衣物,为了舒适度,在人体肌肉和关节处也必须具备柔性。正因为如此,所以像氨纶这样的合成纤维织物在运动服中很流行。


可穿戴电子设备一般都用于追踪和测量人体运动,所以它们也必须具备与皮肤相似的特性:柔性

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


目前,将刚性电子元器件整合到模仿皮肤的基质材料中,已经被证明相当具有挑战性。此类元器件无法像柔性材料一样被拉伸,分散施加在其上的力量。因为不具备柔性,在柔性和刚性组件的连接处会产生应力集中,经常导致可穿戴设备失效。


创新


最近,美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) 科学博士 Jennifer Lewis 的实验室、佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)、美国空军研究实验室的 J. Daniel Berrigan 博士和 Michael
Durstock
博士协力合作,设计出一种用于柔性电子的新型增材制造技术,也称为“混合3D打印”,它将柔性导电油墨、柔性基质材料、刚性电子组件集成到单一、可拉伸的柔性电子设备中。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


论文第一作者 Alex Valentine,在完成这项研究时,曾任维斯研究所的主管工程师,现在是波士顿大学医学院的医科学生。他说:


“我们通过这项技术,能够将电子传感器直接打印到材料上,数字化地拾放pick-and-place)电子元器件,打印导电的互连线,完整地制造出可刹那之间‘读出’传感器数据信号的电子电路。”


技术


柔性导电油墨由热塑性聚氨酯弹性体TPU)制成,这种柔性塑料与银片相混合。纯TPU和银-TPU油墨都可以用于印刷,从而分别制造出设备的底层柔性基质材料和导电电极。


Valentine 解释说:


“因为基质和电极都含有TPU,当它们一起被逐层印刷后,在干燥之前,会相互强烈粘连。当溶剂蒸发以后,两种墨水都会凝固,形成一个即可弯曲又可拉伸的集成系统。”


(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


印刷工艺使得导电油墨中的银片沿着印刷方向对齐。因此,平面的、似片状的银片侧面相互层叠,就像森林地面上的叶子一样层叠在一起。这种结构排列提高了它们沿着印刷电极导电的能力。 SEAS Lewis 实验室的博士后研究员、论文的合著者之一 Will
Boley
博士称:


“因为油墨和基质是3D打印的,所以我们完全控制在何处绘制导电特征图案,设计电路,创造出几乎任何尺寸和形状的柔性电子器件。”


柔性传感器由导电材料、可编程的控制器芯片、读出设备组成。导电材料,在拉伸时其导电率会发生变化(检测到运动时变低),控制器芯片用于处理数据,读出设备则用于以人类可理解的方式进行数据通信。研究人员为了制造出这种传感器,将印刷柔性传感器与数字化的“拾放工艺”相结合。数字化的“拾放工艺”以一种特殊的编程方式,通过打印喷嘴(通常用于喷墨),形成适度真空,拾起电子元器件,将它们放置到基质表面。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


因为这些表面贴装的电子元器件(例如:LED、电阻、芯片)都是坚硬和刚性的,团队利用TPU的粘接性能,在将每个元器件粘贴到下方的柔性TPU基质之前,都会给元器件涂上一点TPU油墨。一旦变干之后,TPU点可以固定这些刚性元器件,并通过整个基质分散应力,让完全组装的设备可拉伸达30%,同时保持功能完好。使用这种方法将12个LED粘贴到平面的TPU片上,设计出的这种设备能反复弯曲成圆柱形状,且不会减少LED灯的亮度,或者引起设备的机械性损伤。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


为了简单的概念验证,团队设计出两种柔性电子设备演示这种增材制造技术的完整功能。一个是应变式传感器,它通过将TPU和银-TPU-油墨电极,印刷到织物基质上,并且通过“拾放”的方法添加一个微控制器芯片和一个LED读出器,制成一种“袖套”一般的可穿戴设备。它能够通过持续点亮LED灯,指示出穿戴者手臂的弯曲程度。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


另外一个设备是压力传感器,它的形状像人的左脚印,通过交替印刷导电的银-TPU电极和绝缘的TPU层,制成位于柔性TPU基质之上的电容。TPU基质的形变图案要通过手动的电气读出系统来处理,当一个人走到传感器上面的时候,会形成过一个可视化的脚部“热点图”。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


价值


通过团队对于材料和方法的持续优化,混合3D打印技术有望广泛应用于制造各种电子设备。论文的通讯作者之一、维斯研究生的核心教员、SEAS生物启发工程教授 Lewis 表示:


我们不仅扩大了可穿戴电子材料的应用范围,而且将我们的可编程的、多材料的印刷平台,拓展用于数字化‘拾放’电子元器件。我们相信这是朝着制造可定制、低成本、机械性能强健的可穿戴电子设备迈出了重要一步。

(图片来源:哈佛大学维斯生物启发工程研究所


维斯创始董事、医学博士、哲学博士、哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学项目的血管生物学教授、哈佛SEAS生物工程教授 Don Ingber 表示:


这种新方法是跨学科合作的一个典范,跨学科合作也是维斯研究所与其他许多的研究所区别之处。将3D打印技术的精准与电子元器件的数字化编程相结合,我们正逐步建设未来。”


参考资料


【1】https://wyss.harvard.edu/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid-3d-printing/

【2】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703817/full



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混合3D打印技术:低成本制造柔性可穿戴电子设备
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