一种经过印刷电子技术大规模出产机器人组件的计划

发布日期:2017-09-20 发布人:

最近,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 Materials&Interfaces》上宣布了一篇论文,其间描绘了一种经过印刷电子技能大规模出产机器人组件的计划,该计划让组件自己折叠成期望的形状。


为了演示该计划,研讨人员规划了一种自折叠(self-folding)可印刷的电子器材,它包括电线和聚合物“像素点”。该“像素点”跟着施加电压的改变,能够从通明变为不通明。该器材表面看起来有点像字母“H”,但每条腿都能够向两个方向折叠,构成一个桌子的形状。

技能


从技能的视点,一般来说,3D打印技能会经过特定架构,规划出小型电子组件。可是,该工艺速度比较缓慢,本钱相对较高,还会带来结构性缺点。所以科学家一向致力于开发各种新办法,出产出能够在印刷后折叠的平面电子器材。可是,如果要将这些器材折叠成期望形状,需求额定过程或许特别条件,例如露出于光线中或许浸入液体中。关于电子产品来说,这将影响其功能。


但是,新计划正是为了打破这些约束。研讨人员制作出一种新式油墨,它含有丙烯酸酯(acrylate)单体(monomers)和低聚物(oligomers),并能够经过紫外线固化处理。这种新式油墨资料是这项技能的最要害之处。油墨在凝结后会胀大。这一点非同小可,由于大多数的印刷油墨资料,在凝结后都会发作细微的缩短。

一般来说,印刷电子器材一般是逐层构建的。在原型规划中,研讨人员将胀大资料放置到精确的方位,即顶部或许底部的几层中。在构建各层时,底层细微地与印刷渠道粘在一同,粘性足以坚持器材扁平。一旦器材的制作完结时,它会从渠道上掉落,且无需任何外界影响,由新资料制成的关节便开端胀大,将器材朝着相反的方向曲折,胀大力会使它自己折叠成预订的形状。


与笔者介绍过的许多立异发现一样,这一发现也是机缘巧合。研讨人员在研讨能够让印刷电子器材更具柔性的油墨的过程中,无意中发现了一种资料在变硬后会发作胀大。他们马上意识到需求发掘这种聚合物资料的潜在功用,开端测验关于复合物进行修正,直到找到一个配方,制作出一种关节,足以胀大到让一个印刷器材半数。


下面,我们经过研讨人员论文中一张十分重要的示意图,协助我们深刻理解这一技能。该复合物含有的有源电子器材、金属痕迹、基底都全部是经过3D打印制作的。一旦从印刷渠道移除3D打印的结构,复合物在室温条件下,无需任何外部影响,就能够根据部分剩余的应力,自主地折叠成一种形状。


这个机制的中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打印技能的一部分,每一次之前的固化(轻度穿插结合)层,厚度约17μm,会与相邻层未固化的油墨相触摸。油墨中的小分子让下面的固化层发作胀大,发生一个部分的剩余应力。图片底部的圆形特写显现:剩余应力资料在固化之前和之后的状况;刚性资料与应力的生成机制无关。用于直接写入内部剩余应力的资料与刚性的、紫外线固化的丙烯酸酯彼此结合,经过操控资料的放置与方位,发生出所需视点的凹凸褶皱。弹性导体所衔接的有源电子器材,都在同一体系中印刷。

价值


短期内,这项技能将带来传感器、显现器、天线(功能性取决于其三维外形)的定制出产。长时间来说,研讨人员期望能够打印机器人。


北卡罗莱纳州立大学化学工程教授Michael Dickey表明:


“这项研讨十分振奋人心,由于它供给一种在三维物体上创立功能性电子器材的途径。特别是关于那些以二维平面方式完结的电子工艺来说,需求的是一个平面。在这里,这项技能供给了一种创立电子产品的新办法,它运用二维表面上的传统平面技能,使之转化为三维形状,一起坚持电子产品的功能性。这种改变是经过一种聪明的办法,在印刷过程中将应力添加到资猜中。”