盤點(diǎn)：哈佛大學(xué)“混合3D打印”柔性可穿戴技術(shù)

盤點(diǎn)：哈佛大學(xué)“混合3D打印”柔性可穿戴技術(shù)

最近，美國(guó)一支跨學(xué)科的科研團(tuán)隊(duì)協(xié)力合作，開發(fā)出一種用于柔性電子的新型增材制造技術(shù)，也稱為“混合3D打印”，它將柔性導(dǎo)電油墨、柔性基質(zhì)材料、剛性電子組件集成到單一、可拉伸的柔性電子設(shè)備中。

關(guān)鍵字

柔性、可穿戴技術(shù)、增材制造、傳感器

背景

為了適應(yīng)身體的自由活動(dòng)，皮膚必須能夠彎曲和拉伸。同樣，任何穿在身上衣物，為了舒適度，在人體肌肉和關(guān)節(jié)處也必須具備柔性。正因?yàn)槿绱耍韵癜本]這樣的合成纖維織物在運(yùn)動(dòng)服中很流行。

可穿戴電子設(shè)備一般都用于追蹤和測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)，所以它們也必須具備與皮膚相似的特性：柔性。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

目前，將剛性電子元器件整合到模仿皮膚的基質(zhì)材料中，已經(jīng)被證明相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。此類元器件無法像柔性材料一樣被拉伸，分散施加在其上的力量。因?yàn)椴痪邆淙嵝裕谌嵝院蛣傂越M件的連接處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，經(jīng)常導(dǎo)致可穿戴設(shè)備失效。

創(chuàng)新

最近，美國(guó)哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering） 科學(xué)博士 Jennifer Lewis 的實(shí)驗(yàn)室、佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的 J. Daniel Berrigan 博士和 Michael Durstock 博士協(xié)力合作，設(shè)計(jì)出一種用于柔性電子的新型增材制造技術(shù)，也稱為“混合3D打印”，它將柔性導(dǎo)電油墨、柔性基質(zhì)材料、剛性電子組件集成到單一、可拉伸的柔性電子設(shè)備中。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

論文第一作者 Alex Valentine，在完成這項(xiàng)研究時(shí)，曾任維斯研究所的主管工程師，現(xiàn)在是波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院的醫(yī)科學(xué)生。他說：

“我們通過這項(xiàng)技術(shù)，能夠?qū)㈦娮觽鞲衅髦苯哟蛴〉讲牧仙希瑪?shù)字化地拾放（pick-and-place）電子元器件，打印導(dǎo)電的互連線，完整地制造出可剎那之間‘讀出’傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)的電子電路。”

技術(shù)

柔性導(dǎo)電油墨由熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）制成，這種柔性塑料與銀片相混合。純TPU和銀-TPU油墨都可以用于印刷，從而分別制造出設(shè)備的底層柔性基質(zhì)材料和導(dǎo)電電極。

Valentine 解釋說：

“因?yàn)榛|(zhì)和電極都含有TPU，當(dāng)它們一起被逐層印刷后，在干燥之前，會(huì)相互強(qiáng)烈粘連。當(dāng)溶劑蒸發(fā)以后，兩種墨水都會(huì)凝固，形成一個(gè)即可彎曲又可拉伸的集成系統(tǒng)。”

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

印刷工藝使得導(dǎo)電油墨中的銀片沿著印刷方向?qū)R。因此，平面的、似片狀的銀片側(cè)面相互層疊，就像森林地面上的葉子一樣層疊在一起。這種結(jié)構(gòu)排列提高了它們沿著印刷電極導(dǎo)電的能力。 SEAS Lewis 實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文的合著者之一 Will Boley 博士稱：

“因?yàn)橛湍突|(zhì)是3D打印的，所以我們完全控制在何處繪制導(dǎo)電特征圖案，設(shè)計(jì)電路，創(chuàng)造出幾乎任何尺寸和形狀的柔性電子器件。”

柔性傳感器由導(dǎo)電材料、可編程的控制器芯片、讀出設(shè)備組成。導(dǎo)電材料，在拉伸時(shí)其導(dǎo)電率會(huì)發(fā)生變化（檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)時(shí)變低），控制器芯片用于處理數(shù)據(jù)，讀出設(shè)備則用于以人類可理解的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。研究人員為了制造出這種傳感器，將印刷柔性傳感器與數(shù)字化的“拾放工藝”相結(jié)合。數(shù)字化的“拾放工藝”以一種特殊的編程方式，通過打印噴嘴（通常用于噴墨），形成適度真空，拾起電子元器件，將它們放置到基質(zhì)表面。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

因?yàn)檫@些表面貼裝的電子元器件（例如：LED、電阻、芯片）都是堅(jiān)硬和剛性的，團(tuán)隊(duì)利用TPU的粘接性能，在將每個(gè)元器件粘貼到下方的柔性TPU基質(zhì)之前，都會(huì)給元器件涂上一點(diǎn)TPU油墨。一旦變干之后，TPU點(diǎn)可以固定這些剛性元器件，并通過整個(gè)基質(zhì)分散應(yīng)力，讓完全組裝的設(shè)備可拉伸達(dá)30%，同時(shí)保持功能完好。使用這種方法將12個(gè)LED粘貼到平面的TPU片上，設(shè)計(jì)出的這種設(shè)備能反復(fù)彎曲成圓柱形狀，且不會(huì)減少LED燈的亮度，或者引起設(shè)備的機(jī)械性損傷。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

為了簡(jiǎn)單的概念驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出兩種柔性電子設(shè)備演示這種增材制造技術(shù)的完整功能。一個(gè)是應(yīng)變式傳感器，它通過將TPU和銀-TPU-油墨電極，印刷到織物基質(zhì)上，并且通過“拾放”的方法添加一個(gè)微控制器芯片和一個(gè)LED讀出器，制成一種“袖套”一般的可穿戴設(shè)備。它能夠通過持續(xù)點(diǎn)亮LED燈，指示出穿戴者手臂的彎曲程度。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

另外一個(gè)設(shè)備是壓力傳感器，它的形狀像人的左腳印，通過交替印刷導(dǎo)電的銀-TPU電極和絕緣的TPU層，制成位于柔性TPU基質(zhì)之上的電容。TPU基質(zhì)的形變圖案要通過手動(dòng)的電氣讀出系統(tǒng)來處理，當(dāng)一個(gè)人走到傳感器上面的時(shí)候，會(huì)形成過一個(gè)可視化的腳部“熱點(diǎn)圖”。

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

價(jià)值

通過團(tuán)隊(duì)對(duì)于材料和方法的持續(xù)優(yōu)化，混合3D打印技術(shù)有望廣泛應(yīng)用于制造各種電子設(shè)備。論文的通訊作者之一、維斯研究生的核心教員、SEAS生物啟發(fā)工程教授 Lewis 表示：

“我們不僅擴(kuò)大了可穿戴電子材料的應(yīng)用范圍，而且將我們的可編程的、多材料的印刷平臺(tái)，拓展用于數(shù)字化‘拾放’電子元器件。我們相信這是朝著制造可定制、低成本、機(jī)械性能強(qiáng)健的可穿戴電子設(shè)備邁出了重要一步。”

（圖片來源：哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所）

維斯創(chuàng)始董事、醫(yī)學(xué)博士、哲學(xué)博士、哈佛醫(yī)學(xué)院和波士頓兒童醫(yī)院血管生物學(xué)項(xiàng)目的血管生物學(xué)教授、哈佛SEAS生物工程教授 Don Ingber 表示：

“這種新方法是跨學(xué)科合作的一個(gè)典范，跨學(xué)科合作也是維斯研究所與其他許多的研究所區(qū)別之處。將3D打印技術(shù)的精準(zhǔn)與電子元器件的數(shù)字化編程相結(jié)合，我們正逐步建設(shè)未來。”

參考資料

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

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