3D列印的「自摺疊」電子器件：可應用於機器人！

導讀

美國麻省理工學院和馬塞諸塞大學安姆斯特分校的科研人員開發出一種通過印刷電子技術大規模生產機器人組件的方案，該方案讓組件自己摺疊成期望的形狀。

關鍵字

機器人、材料、3D列印

背景

目前，機器人技術正在變得越來越先進且多功能化，對於組件的需求也隨著應用的日益多樣化而增加。之前，筆者介紹過許多種機器人及其組件。然而，這些組件的大規模量產一直都是極具挑戰性的問題。因為首先要考慮到可行性問題，其次還要顧及成本，最好還能夠兼容現有的大規模製造工藝。

為此，筆者曾介紹過康奈爾大學設計的柔性機器人手，它利用彈性光波導作為感測器感知周圍的物體。而這種「彈性體」感測器利用了軟光刻技術和三維列印技術，便於大規模生產製造。

（圖片來源: 康奈爾大學 ）

另外一個例子：美國休斯頓大學開發出的一種人造皮膚，讓機器手臂能夠感知不同的冷熱，也可以用於生物醫電等方面。重要的是，研究人員也介紹了一種生產柔性電子產品的新機制，依賴於現成材料，可大規模量產製造。

（圖片來源: 休斯頓大學）

創新

最近，美國麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）和馬塞諸塞大學安姆斯特分校的科研人員，在美國化學會（ACS）《應用材料與介面》（Materials & Interfaces）期刊上發表了一篇論文，其中描述了一種通過印刷電子技術大規模生產機器人組件的方案，該方案讓組件自己摺疊成期望的形狀。

為了演示該方案，研究人員設計了一種自摺疊（self-folding ）可印刷的電子器件，它包含電線和聚合物「像素點」。該「像素點」隨著施加電壓的變化，可以從透明變為不透明。該器件外表看起來有點像字母「H」，但每條腿都可以向兩個方向摺疊，形成一個桌子的形狀。

（圖片來源: ACS）

（圖片來源: ACS）

（圖片來源: ACS）

（圖片來源: ACS）

技術

從技術的角度，一般來說，3D列印技術會通過特定架構，設計出小型電子組件。但是，該工藝速度比較緩慢，成本相對較高，還會帶來結構性缺陷。所以科學家一直致力於開發各種新方法，生產出能夠在印刷后摺疊的平面電子器件。但是，如果要將這些器件摺疊成期望形狀，需要額外步驟或者特殊條件，例如暴露於光線中或者浸入液體中。對於電子產品來說，這將影響其性能。

然而，新方案正是為了突破這些限制。研究人員製造出一種新型油墨，它含有丙烯酸酯（acrylate ）單體（monomers）和低聚物（oligomers），並可以通過紫外線固化處理。這種新型油墨材料是這項技術的最關鍵之處。油墨在凝固後會膨脹。這一點非同尋常，因為大多數的印刷油墨材料，在凝固后都會發生輕微的收縮。

通常來說，印刷電子器件通常是逐層構建的。在原型設計中，研究人員將膨脹材料放置到準確的位置，即頂部或者底部的幾層中。在構建各層時，底層輕微地與印刷平台粘在一起，粘性足以保持器件扁平。一旦器件的製造完成時，它會從平台上脫落，且無需任何外界刺激，由新材料製成的關節便開始膨脹，將器件朝著相反的方向彎曲，膨脹力會使它自己摺疊成預定的形狀。

與筆者介紹過的許多創新發現一樣，這一發現也是機緣巧合。研究人員在研究可以讓印刷電子器件更具柔性的油墨的過程中，無意中發現了一種材料在變硬後會發生膨脹。他們立刻意識到需要挖掘這種聚合物材料的潛在功用，開始嘗試對於複合物進行修改，直到找到一個配方，製造出一種關節，足以膨脹到讓一個印刷器件對摺。

下面，我們通過研究人員論文中一張非常重要的示意圖，幫助大家深刻理解這一技術。該複合物含有的有源電子器件、金屬痕迹、基底都全部是通過3D列印製造的。一旦從印刷平台移除3D列印的結構，複合物在室溫條件下，無需任何外部刺激，就可以基於局部殘餘的應力，自主地摺疊成一種形狀。

這個機制的核心是一種可用紫外線固化的油墨，它含有高延伸率的丙烯酸酯低聚物和短鏈單體（例如丙烯酸異辛酯）。作為逐層噴墨列印的3D列印技術的一部分，每一次之前的固化（輕度交叉結合）層，厚度約 17 μm ，會與相鄰層未固化的油墨相接觸。油墨中的小分子讓下面的固化層發生膨脹，產生一個局部的殘餘應力。圖片底部的圓形特寫顯示：殘餘應力材料在固化之前和之後的情況；剛性材料與應力的生成機制無關。用於直接寫入內部殘餘應力的材料與剛性的、紫外線固化的丙烯酸酯相互結合，通過控制材料的放置與位置，產生出所需角度的凹凸褶皺。彈性導體所連接的有源電子器件，都在同一系統中印刷。

（圖片來源: 參考資料【3】）

價值

短期內，這項技術將帶來感測器、顯示器、天線（功能性取決於其三維外形）的定製生產。長期來說，研究人員希望可以列印機器人。

北卡羅萊納州立大學化學工程教授 Michael Dickey 表示：

「這項研究非常振奮人心，因為它提供一種在三維物體上創建功能性電子器件的途徑。特別是對於那些以二維平面形式完成的電子工藝來說，需要的是一個平面。在這裡，這項技術提供了一種創建電子產品的新方法，它使用二維表面上的傳統平面技術，使之轉化為三維形狀，同時保持電子產品的功能性。這種轉變是通過一種聰明的方法，在印刷過程中將應力添加到材料中。」

參考資料

【1】https://www.acs.org/content/acs/en/pressroom/presspacs/2017/acs-presspac-september-13-2017/self-folding-electronics-could-enable-advanced-robotics-video.html?_ga=2.87130460.592938341.1505570419-1190446739.1472457191

【2】http://news.mit.edu/2017/peel-and-go-printable-structures-fold-themselves-0913

【3】Subramanian Sundaram, David S. Kim, Marc A. Baldo, Ryan C. Hayward, Wojciech Matusik. 3D-Printed Self-Folding Electronics. ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; DOI: 10.1021/acsami.7b10443

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