南科大-劉吉團(tuán)隊(duì)：用于柔性電致發(fā)光器件和軟體機(jī)器人的3D打印技術(shù)

來源于南方科技大學(xué)官網(wǎng)

一、研究背景：
柔性可拉伸發(fā)光器件正在各大創(chuàng)新性領(lǐng)域快速發(fā)展，比如可穿戴電子、顯示器和仿生機(jī)器人等。然而，傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷、納米轉(zhuǎn)印等技術(shù)在柔性電致發(fā)光器件開發(fā)上仍然面臨著步驟多、耗時(shí)久、成本高、一體化制造難等挑戰(zhàn)。

二、文章簡(jiǎn)介：

近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授劉吉團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于墨水直寫（DIW）的3D打印技術(shù)。該技術(shù)能夠用于一體化設(shè)計(jì)和制造新型柔性電致發(fā)光器件和軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)柔性發(fā)光器件的全打印制造。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Communications上。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士生張培為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。

圖1. 示意圖。

三、研究?jī)?nèi)容：

研究人員首先開發(fā)了一系列針對(duì)DIW 3D打印柔性發(fā)光器件的墨水，通過3D打印構(gòu)建了共價(jià)鍵交聯(lián)的強(qiáng)韌界面，確保打印器件在反復(fù)拉伸彎曲扭轉(zhuǎn)變形時(shí)仍能穩(wěn)定發(fā)光（圖2）。結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了一體化快速打印定制化圖案“SUSTech”發(fā)光腕帶。這類簡(jiǎn)單快捷的制備工藝可替代傳統(tǒng)方法，實(shí)現(xiàn)高效制備柔軟可拉伸定制化的電致發(fā)光器件。

圖2. 多材料3D打印柔性可拉伸電致發(fā)光器件。

研究人員從自然界變色龍身上獲得靈感，通過3D打印技術(shù)將柔性發(fā)光單元以及光傳感單元集成在軟體機(jī)器人上，構(gòu)建人工智能偽裝系統(tǒng)（圖3）。集成的光傳感器可實(shí)時(shí)接收外部環(huán)境光信號(hào)，通過邏輯電路信號(hào)處理將環(huán)境光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)控制軟體機(jī)器人不同部位的發(fā)光單元顯示，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走過程中自主感知環(huán)境變化并迅速響應(yīng)做出偽裝反饋。

圖3. 集成發(fā)光機(jī)器人偽裝及邏輯電路控制示意圖。

此外，研究人員通過設(shè)計(jì)多彩發(fā)光單元及相應(yīng)的邏輯回路，可實(shí)現(xiàn)彩色實(shí)時(shí)偽裝。研究人員首先嘗試打印多彩像素矩陣，通過光傳感單元感知環(huán)境光色彩變化，可實(shí)時(shí)控制矩陣單一色彩顯示。如圖4所示，當(dāng)機(jī)器人爬行到不同顏色環(huán)境光區(qū)域，發(fā)光單元被選擇性點(diǎn)亮以匹配環(huán)境光變化，這種能力與自然界的變色龍十分相似。

圖4. 集成軟體機(jī)器人自適應(yīng)多彩環(huán)境光變化。

四、結(jié)論與展望：

綜上所述，該工作開發(fā)了一系列可3D打印的墨水，分別用于離子導(dǎo)電層、電致發(fā)光層（多種發(fā)光）和介電絕緣層，通過一體化多材料3D打印可制得柔性可拉伸多彩電致發(fā)光器件；且各層之間的穩(wěn)鍵界面確保這類3D打印顯示器件在高拉伸大變形下，依舊具有穩(wěn)定的發(fā)光特性。此外，該工作將3D打印發(fā)光器件與軟體機(jī)器人、光傳感單元相結(jié)合，開發(fā)了一種可以感知外界環(huán)境光變化、且迅速做出響應(yīng)的人工偽裝自適應(yīng)系統(tǒng)，為下一代智能機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)思路（圖5）。

圖5. 3D打印柔性電致發(fā)光器件與自適應(yīng)軟機(jī)器人集成制造示意圖。

五、致謝：

該研究得到深圳市仿生機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省普通高校人體增強(qiáng)與康復(fù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委、南方科技大學(xué)增材制造創(chuàng)新中心等經(jīng)費(fèi)支持。


論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32126-1