3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！

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3D打印的”自折叠“电子器件：可应用于机器人！

2017 年 9 月 16 日 IntelligentThings John

导读

美国麻省理工学院和马塞诸塞大学安姆斯特分校的科研人员开发出一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件的方案，该方案让组件自己折叠成期望的形状。

关键字

机器人、材料、3D打印

背景

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。

（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。

（图片来源: 休斯顿大学）

创新

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，在美国化学会（ACS）《应用材料与接口》（Materials & Interfaces）期刊上发表了一篇论文，其中描述了一种通过印刷电子技术大规模生产机器人组件的方案，该方案让组件自己折叠成期望的形状。

为了演示该方案，研究人员设计了一种自折叠（self-folding ）可印刷的电子器件，它包含电线和聚合物“像素点”。该“像素点”随着施加电压的变化，可以从透明变为不透明。该器件外表看起来有点像字母“H”，但每条腿都可以向两个方向折叠，形成一个桌子的形状。

（图片来源: ACS）

技术

从技术的角度，一般来说，3D打印技术会通过特定架构，设计出小型电子组件。但是，该工艺速度比较缓慢，成本相对较高，还会带来结构性缺陷。所以科学家一直致力于开发各种新方法，生产出能够在印刷后折叠的平面电子器件。但是，如果要将这些器件折叠成期望形状，需要额外步骤或者特殊条件，例如暴露于光线中或者浸入液体中。对于电子产品来说，这将影响其性能。

然而，新方案正是为了突破这些限制。研究人员制造出一种新型油墨，它含有丙烯酸酯（acrylate ）单体（monomers）和低聚物（oligomers），并可以通过紫外线固化处理。这种新型油墨材料是这项技术的最关键之处。油墨在凝固后会膨胀。这一点非同寻常，因为大多数的印刷油墨材料，在凝固后都会发生轻微的收缩。

通常来说，印刷电子器件通常是逐层构建的。在原型设计中，研究人员将膨胀材料放置到准确的位置，即顶部或者底部的几层中。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。

（图片来源: 参考资料【3】）

价值

短期内，这项技术将带来传感器、显示器、天线（功能性取决于其三维外形）的定制生产。长期来说，研究人员希望可以打印机器人。

北卡罗莱纳州立大学化学工程教授 Michael Dickey 表示：

“这项研究非常振奋人心，因为它提供一种在三维物体上创建功能性电子器件的途径。特别是对于那些以二维平面形式完成的电子工艺来说，需要的是一个平面。在这里，这项技术提供了一种创建电子产品的新方法，它使用二维表面上的传统平面技术，使之转化为三维形状，同时保持电子产品的功能性。这种转变是通过一种聪明的方法，在印刷过程中将应力添加到材料中。”

参考资料

【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