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时间:2017-09-13
 
 
造成穿戴式电子设备故障的常见原因是刚性电气元件与符合人体运动的软质柔性材料之间的失配。这种失配集中在软硬材料连接的应力处。如今,研究人员已经创造出了一种新的软电子添加剂制造技术,称为混合3D印刷技术,将柔性导电油墨和热塑性聚氨酯(TPU)与刚性电子元件集成到一个单一的可拉伸装置中。研究人员认为这是制造可定制、可穿戴电子产品的第一步,其成本低于当前设备,同时机械稳定性也很好。

由混合3D打印生产的平板热塑性聚氨酯片上的12个发光二极管(LED)组成的装置被重复弯曲成圆柱形,然而LED的光强度不会降低、装置也不会出现机械故障。图片由哈佛大学AlexValentine,LoriK.Sanders和JenniferLewis提供。

这个重大突破是由哈佛大学威斯利生物启发工程研究所的JenniferLewis实验室和哈佛约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)和J.美国空军研究实验室的DanielBerrigan博士和MichaelDurstock博士共同发现的。以下转载的WyssInstitute网站上的新闻稿详细描述了这项研究,《高级材料》杂志刊登了一篇关于这项研究的论文。

可拉伸导电油墨由混合着薄片的TPU制成。印刷纯TPU和银-TPU油墨,以分别创建设备的底层软基板和导电电极。即将成为Wyss研究所的工程师但是目前是波士顿大学医学院的医学生AlexValentine表示,“因为基板和电极都包含TPU,当它们被逐层共印后,在干燥之前就彼此强烈地粘合在一起,溶剂蒸发后,两种油墨都会固化,形成一个既柔软又可拉伸的集成系统。”

印刷过程导致导电油墨中的银薄片沿着打印方向自我对准,因此它们平坦的板状侧面彼此在顶部叠层,如在森林土地上的重叠叶片。这种结构对准提高了沿印刷电极传导电能的能力。WillBoley博士说,“由于墨水和基材是3D印刷的,我们可以完全控制导电特征图案的位置,并且可以设计电路来创建几乎每个尺寸和形状的软电子设备,”Boley是SEAS的Lewis实验室博士后研究员及本文的合著者。

研究人员将由导电材料组成的软传感器在拉伸时呈现的导电性的变化(即它们如何检测移动)与可编程微控制器芯片耦合以处理实验数据,以及以人类可以理解的形式传达数据。为了实现这一点,研究人员将印刷的软传感器与数字拾取和放置过程相结合,该过程通过空的印刷喷嘴施加适度的真空,以拾取电子元件并以特定的可编程方式将其放置在基板表面上。

因为这些表面安装的电气部件本质上是坚硬和刚性的,所以在将其连接到下面的软TPU基板之前,团队利用了TPU的粘合性能,在每个部件下方涂一点TPU墨水。一旦干燥,TPU点锚定这些刚性部件并在整个矩阵中分布应力,允许装置在保持性能的同时被拉伸至30%。由使用该方法制造的平坦TPU片上的12个发光二极管(LED)构成的装置能够反复弯曲为圆筒形,而不会导致LED的光强度降低或器件的机械故障。

作为一个简单的概念验证,该团队创建了两个软电子设备来演示这种添加剂制造技术的全部功能。通过将TPU和银-TPU-墨水电极印刷到纺织品基底上并通过拾取和放置方法应用微控制器芯片和读出的LED来制造应变传感器。所产生的可穿戴套筒状装置表示穿过者的手臂通过LED的连续照明的弯曲程度。通过印刷交替层的导电银-TPU电极和绝缘TPU来形成第二装置,即人的左脚印形状的压力传感器,以在柔性TPU衬底上形成电容器。变形图案通过手动电读取系统进行处理,以在人们踏上传感器时制作脚的视觉图像。

当团队不断优化材料和方法时,混合3D打印已广泛适用于制造无数电子设备。Lewis说:“我们已经扩大了可打印电子材料的调色板,并扩展了可编程的多材料打印平台,以实现电子元件的数字化选择。”

Wyss创始总监,同时也是哈佛医学院的血管生物学和波士顿儿童医院的血管生物学教授,以及哈佛SEAS生物工程教授的DonIngber博士说,“这种新方法是将Wyss研究所与许多其他实验室区分开来的跨学科合作工作的一个很好的例子,通过将3D打印的物理精度与电子元件的数字可编程性相结合,我们正在建设未来。”

这项研究获得了空军研究实验室材料与制造局和UES,海军研究办公室的VannevarBush教授奖学金计划,GETTYLAB以及哈佛大学Wyss学院的支持。 
来源:3D虎

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