湖南大學(xué)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(dú)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(yīng)用前景，如電子皮膚、柔性屏、腦機(jī)接口等。水凝膠材料以其獨(dú)有的特性（柔性、導(dǎo)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(xué)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(fù)雜、加工成本高、幅面較小，難以實現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)信號強(qiáng)化效應(yīng)。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(jìn)行圖案化設(shè)計可進(jìn)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(dǎo)電、抗凍等性能的優(yōu)化，可拓展水凝膠柔性電子的應(yīng)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(xué)王兆龍、段輝高教授與上海交通大學(xué)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(jī)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(qiáng)粘附性、導(dǎo)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(yùn)動信號監(jiān)測的應(yīng)變靈敏度，實現(xiàn)寬范圍的運(yùn)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(jī)械手的同步運(yùn)動，以準(zhǔn)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(jī)械手的運(yùn)動。該工作引入微尺度3D打印技術(shù)使得復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)多功能柔性電子和復(fù)雜人機(jī)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(qiáng)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(yīng)變傳感器，用于監(jiān)測寬范圍的人體運(yùn)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(jī)接口控制機(jī)械手的同步運(yùn)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(xué)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。