3D打印技术制备柔性传感器和软体机器人

与传统的制造技术不同，利用增量制造技术来制造三维结构不需要模具和光刻掩膜，而是采用数字设计。数字化装配利用计...



与传统的制造技术不同，利用增量制造技术来制造三维结构不需要模具和光刻掩膜，而是采用数字设计。数字化装配利用计算机辅助设计，可快速转化为复杂的三维构型，促进先进材料的产业化。柔性传感器、制动器和机器人广泛应用于促进人机交互领域，其核心要求是能够将具有一定力学强度和导电性质的柔性材料整合进自定义的特殊形状内。3D打印能够满足这样的柔性材料和系统的制备工艺要求。

近期，研究人员利用嵌入式3D打印技术制备出了高延伸性的应变传感器。他们在弹性基底上打印出“发夹”形状的导电碳墨水图案，其在拉伸过程中表现出电阻值的升高。随后科研人员将这种技术应用于智能可穿戴手套，可对手指的弯曲做出电阻反馈。这种3D打印技术一方面可以快速制备出复杂的柔性传感器，另一方面可以避免传统柔性电容器组装工艺带来的界面分层问题。还有一种打印方法是直接打印弹性体，如含有导电颗粒填料的氟化橡胶。然而，这种传感器的一个弊端是其具有迟滞现象，即在给定的应变循环过程中导电颗粒网络的断裂和复原之间具有时间滞差。这种迟滞现象可以通过引入液态金属解决，然而，液态金属具有较高的表面张力，不适宜于打印。基于此，研究人员开发出了离子导电墨水，并利用特制的多芯-壳打印头，将其包裹在弹性高分子壳层内制备柔性传感器。



目前，大量研究利用可膨胀水凝胶、颗粒介质和电活性聚合物来制备柔性制动器。其中，流体弹性体制动器应用最为广泛。当弹性体中嵌入的网络中充满液体时，引起网络的膨胀，从而促发制动器的运动。利用光固化快速打印工艺，可以设计和实现任意复杂的流道形状，将含硅的光交联橡胶制备成为流体弹性制动器。另外，墨水直写技术和多材料喷墨打印也被用来制备流体弹性制动器。

在柔性机器人系统开发方面，目前最急需解决的方面是将控制和供电的刚性硬件部分元件与机器人的软材料相结合。在近期研究人员开发的一个燃烧驱动的机器人中，主体用多种光敏聚合物利用多材料喷墨打印技术制备而成，具有梯度的弹性模量。因此，机器人系统具有一个从刚性芯部到柔性外部的过渡，增加了机器人主体和硬件部分的界面结合。

综上所述，将材料系统、3D打印方法和模型设计结合起来，可以在优化制动器机械学、结合柔性控制和刚性驱动等方面进行大量的设计和尝试，促进智能材料的应用和智能设备的快速发展。

文章来源：R. L. Truby, J. A. Lewis. Nature,540, 371-378. doi:10.1038/nature21003

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