湖南大學王兆龍課題組《Materials Today Physics》：3D打印超抗凍多功能柔性電子器件

柔性電子作為一種新興的電子技術(shù)，以其獨特的柔性/延展性（彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮或拉伸）和高靈敏特性，在信息、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應用前景，如電子皮膚、柔性屏、腦機接口等。水凝膠材料以其獨有的特性（柔性、導電性、高拉伸性）在柔性電子領(lǐng)域被廣泛研究和使用。采用諸如光學光刻、微接觸印刷等微納制造技術(shù)可實現(xiàn)圖案化水凝膠柔性電子器件的制造，但是上述技術(shù)加工步驟復雜、加工成本高、幅面較小，難以實現(xiàn)復雜三維結(jié)構(gòu)信號強化效應。微納3D打印技術(shù)很好地平衡制造成本、加工精度和幅面的問題，可快速制造并成型任意形狀和定制設(shè)計的水凝膠跨尺度結(jié)構(gòu)，而且，對水凝膠進行圖案化設(shè)計可進一步提高柔性電子器件的靈敏性；同時通過對水凝膠的性能諸如自粘附、導電、抗凍等性能的優(yōu)化，可拓展水凝膠柔性電子的應用范圍，如自粘附電子、極端溫度環(huán)境工作的柔性器件等。

近日，湖南大學王兆龍、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士合作，基于面投影微立體光刻技術(shù)，采用摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S/P140，通過引入粘附性的光固化單體及材料配比優(yōu)化，設(shè)計了水凝膠諸如強粘附性、導電性和抗凍性等性能。通過水凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高運動信號監(jiān)測的應變靈敏度，實現(xiàn)寬范圍的運動信號傳感。作者設(shè)計3D打印水凝膠柔性電極采集人體的肌電信號，將水凝膠柔性電極采集的肌電信號作為用戶界面控制機械手的同步運動，以準確的完成彈奏不同音符的動作，甚至可以控制-80℃低溫環(huán)境下機械手的運動。該工作引入微尺度3D打印技術(shù)使得復雜3D結(jié)構(gòu)多功能柔性電子和復雜人機接口的快速制造成為可能。文章以“3D printed super-anti-freezing self-adhesive human-machine interface”為題發(fā)表在Materials Today Physics上。

圖1 面投影微立體光刻技術(shù)（摩方精密，nanoArch S/P140）原理及水凝膠材料設(shè)計，利用共價鍵交聯(lián)和氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)合優(yōu)化水凝膠性能

圖2 3D打印水凝膠諸如超拉伸、強粘附、抗凍等性能設(shè)計

圖3 基于面投影微立體光刻技術(shù)加工跨尺度結(jié)構(gòu)的水凝膠制備高靈敏度的應變傳感器，用于監(jiān)測寬范圍的人體運動信號

圖4 基于面投影微立體光刻技術(shù)加工水凝膠用于肌電信號的采集，將采集的肌電信號作為人機接口控制機械手的同步運動，以完成彈奏不同音符、甚至低溫環(huán)境的動作控制

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https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100404

該工作得到了國家自然科學基金、湖南省優(yōu)秀青年基金、廣東省重點研發(fā)計劃，長沙市科技局等基金支持。