面向人机接口的自组装、高导电、可拉伸3D打印材料，改善可穿戴传感应用
2024-07-03 22:37:42 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发的3D打印材料柔软、可拉伸，具有与组织和器官相匹配的特性，而且可以自组装。研究小组表示，他们的方法采用了一种新工艺，消除了过去制造方法的许多缺点，如导电性较差或器件故障等。
据麦姆斯咨询介绍，为了推动软机器人技术、皮肤集成电子设备和生物医学设备的发展，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发出了一种柔软可拉伸的新型3D打印材料。这种材料可用于制造可穿戴器件，如下图所示戴在手指上的传感器。
研究人员开发的3D打印材料柔软、可拉伸，具有与组织和器官相匹配的特性，而且可以自组装。研究小组表示，他们的方法采用了一种新工艺，消除了过去制造方法的许多缺点，如导电性较差或器件故障等。
具体来说，研究人员开发了一种基于液态金属（LM）和导电聚合物的可打印软材料，这种材料在打印后可进行自组装，从而获得一种非对称自绝缘可拉伸导体（aSISC）。这种aSISC材料的底面可以达到很高的电导率（2089 S/cm），且不需要其它基于液态金属导体所需要的二次激活过程，这对于大面积、低成本的高产能制造非常有利。有趣的是，它还能同时实现自绝缘顶面，解决基于液态金属导体的泄漏问题。此外，aSISC还具有高度可拉伸性（> 800%）和皮肤级模量，是制造与动物或人体连接器件导体的理想候选材料，有望用于健康监测和治疗应用。这项研究成果已发表于Advanced Materials期刊。
aSISC设计和制造示意图
该研究通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程与力学助理教授、生物医学工程助理教授、地球与矿物科学学院材料科学与工程助理教授Tao Zhou介绍说：“近十年来，人们一直在开发软性可拉伸导体，但导电率通常不是很高。研究人员意识到，可以利用液态金属导体实现高电导率，但这种方法的重大局限在于，在达到高电导率之前，需要采用辅助方法来激活材料。”
研究人员表示，基于液态金属的可拉伸导体存在固有的复杂性和制造后激活相关的挑战。二次激活方法包括拉伸、压缩、剪切摩擦、机械烧结和激光活化，所有这些方法都会给制造带来挑战，并可能导致液态金属泄漏，造成器件故障。
aSISC结构的3D打印
Tao Zhou说：“我们的方法不需要任何二次激活就能使材料导电。这种材料可以自组装，使其下表面具有很强的导电性，上表面则具有自绝缘性。”
在这种新方法中，研究人员将液态金属、一种名为PEDOT:PSS的导电聚合物混合物和亲水性聚氨酯结合在一起，使液态金属转变为颗粒。当打印并加热这种复合软材料时，其底层表面的液态金属颗粒会自组装成导电通道。顶层的颗粒暴露在富氧环境中会氧化，形成绝缘顶层。导电层对于向传感器传递信息至关重要，例如人体肌肉活动记录和应变传感，而绝缘层则有助于防止降低数据采集准确性的信号泄漏。
Tao Zhou介绍说：“这正是我们在材料方面的创新。通常当液态金属与聚合物混合时，它们是不导电的，需要二次激活才能实现导电。但这三种成分可以实现自组装，产生高导电性的柔软可拉伸材料，而无需二次激活方法。”
这种材料还可以进行3D打印，从而更容易制造可穿戴设备。研究人员正在继续探索这种材料的潜在应用，重点是为残疾人提供辅助技术。
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