3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！

目前，机器人技术正在变得越来越先进且多功能化，对于组件的需求也随着应用的日益多样化而增加。之前，笔者介绍过许多种机器人及其组件。然而，这些组件的大规模量产一直都是极具挑战性的问题。因为首先要考虑到可行性问题，其次还要顾及成本，最好还能够兼容现有的大规模制造工艺。
为此，笔者曾介绍过康奈尔大学设计的柔性机器人手，它利用弹性光波导作为传感器感知周围的物体。而这种“弹性体”传感器利用了软光刻技术和三维打印技术，便于大规模生产制造。
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: 康奈尔大学 )
另外一个例子：美国休斯顿大学开发出的一种人造皮肤，让机器手臂能够感知不同的冷热，也可以用于生物医电等方面。重要的是，研究人员也介绍了一种生产柔性电子产品的新机制，依赖于现成材料，可大规模量产制造。
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: 休斯顿大学)
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: ACS)
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: ACS)
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: ACS)
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
(图片来源: ACS)
3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！
通常来说，印刷电子器件通常是逐层构建的。在原型设计中，研究人员在构建各层时，底层轻微地与印刷平台粘在一起，粘性足以保持器件扁平。一旦器件的制造完成时，它会从平台上脱落，且无需任何外界刺激，由新材料制成的关节便开始膨胀，将器件朝着相反的方向弯曲，膨胀力会使它自己折叠成预定的形状。
与笔者介绍过的许多创新发现一样，这一发现也是机缘巧合。研究人员在研究可以让印刷电子器件更具柔性的油墨的过程中，无意中发现了一种材料在变硬后会发生膨胀。他们立刻意识到需要挖掘这种聚合物材料的潜在功用，开始尝试对于复合物进行修改，直到找到一个配方，制造出一种关节，足以膨胀到让一个印刷器件对折。
下面，我们通过研究人员论文中一张非常重要的示意图，帮助大家深刻理解这一技术。该复合物含有的有源电子器件、金属痕迹、基底都全部是通过3D打印制造的。一旦从印刷平台移除3D打印的结构，复合物在室温条件下，无需任何外部刺激，就可以基于局部残余的应力，自主地折叠成一种形状。
这个机制的核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打印技术的一部分，每一次之前的固化(轻度交叉结合)层，厚度约 17 μm，会与相邻层未固化的油墨相接触。油墨中的小分子让下面的固化层发生膨胀，产生一个局部的残余应力。图片底部的圆形特写显示：残余应力材料在固化之前和之后的情况;刚性材料与应力的生成机制无关。用于直接写入内部残余应力的材料与刚性的、紫外线固化的丙烯酸酯相互结合，通过控制材料的放置与位置，产生出所需角度的凹凸褶皱。弹性导体所连接的有源电子器件，都在同一系统中印刷。