水性TPU油墨(混合3D打印技术：低成本制造柔性可穿戴电子设备)

导读

最近，美国一支跨学科的科研团队协力合作，开发出一种用于柔性电子的新型增材制造技术，也称为“混合3D打印”，它将柔性导电油墨、柔性基质材料、刚性电子组件集成到单一、可拉伸的柔性电子设备中。

关键字

柔性、可穿戴技术、增材制造、传感器

背景

为了适应身体的自由活动，皮肤必须能够弯曲和拉伸。同样，任何穿在身上衣物，为了舒适度，在人体肌肉和关节处也必须具备柔性。正因为如此，所以像氨纶这样的合成纤维织物在运动服中很流行。

可穿戴电子设备一般都用于追踪和测量人体运动，所以它们也必须具备与皮肤相似的特性：柔性。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

目前，将刚性电子元器件整合到模仿皮肤的基质材料中，已经被证明相当具有挑战性。此类元器件无法像柔性材料一样被拉伸，分散施加在其上的力量。因为不具备柔性，在柔性和刚性组件的连接处会产生应力集中，经常导致可穿戴设备失效。

创新

最近，美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering） 科学博士 Jennifer Lewis 的实验室、佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院（SEAS）、美国空军研究实验室的 J. Daniel Berrigan 博士和 Michael Durstock 博士协力合作，设计出一种用于柔性电子的新型增材制造技术，也称为“混合3D打印”，它将柔性导电油墨、柔性基质材料、刚性电子组件集成到单一、可拉伸的柔性电子设备中。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

论文第一作者 Alex Valentine，在完成这项研究时，曾任维斯研究所的主管工程师，现在是波士顿大学医学院的医科学生。他说：

“我们通过这项技术，能够将电子传感器直接打印到材料上，数字化地拾放（pick-and-place）电子元器件，打印导电的互连线，完整地制造出可刹那之间‘读出’传感器数据信号的电子电路。”

技术

柔性导电油墨由热塑性聚氨酯弹性体（TPU）制成，这种柔性塑料与银片相混合。纯TPU和银-TPU油墨都可以用于印刷，从而分别制造出设备的底层柔性基质材料和导电电极。

Valentine 解释说：

“因为基质和电极都含有TPU，当它们一起被逐层印刷后，在干燥之前，会相互强烈粘连。当溶剂蒸发以后，两种墨水都会凝固，形成一个即可弯曲又可拉伸的集成系统。”

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

印刷工艺使得导电油墨中的银片沿着印刷方向对齐。因此，平面的、似片状的银片侧面相互层叠，就像森林地面上的叶子一样层叠在一起。这种结构排列提高了它们沿着印刷电极导电的能力。 SEAS Lewis 实验室的博士后研究员、论文的合著者之一 Will Boley 博士称：

“因为油墨和基质是3D打印的，所以我们完全控制在何处绘制导电特征图案，设计电路，创造出几乎任何尺寸和形状的柔性电子器件。”

柔性传感器由导电材料、可编程的控制器芯片、读出设备组成。导电材料，在拉伸时其导电率会发生变化（检测到运动时变低），控制器芯片用于处理数据，读出设备则用于以人类可理解的方式进行数据通信。研究人员为了制造出这种传感器，将印刷柔性传感器与数字化的“拾放工艺”相结合。数字化的“拾放工艺”以一种特殊的编程方式，通过打印喷嘴（通常用于喷墨），形成适度真空，拾起电子元器件，将它们放置到基质表面。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

因为这些表面贴装的电子元器件（例如：LED、电阻、芯片）都是坚硬和刚性的，团队利用TPU的粘接性能，在将每个元器件粘贴到下方的柔性TPU基质之前，都会给元器件涂上一点TPU油墨。一旦变干之后，TPU点可以固定这些刚性元器件，并通过整个基质分散应力，让完全组装的设备可拉伸达30%，同时保持功能完好。使用这种方法将12个LED粘贴到平面的TPU片上，设计出的这种设备能反复弯曲成圆柱形状，且不会减少LED灯的亮度，或者引起设备的机械性损伤。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

为了简单的概念验证，团队设计出两种柔性电子设备演示这种增材制造技术的完整功能。一个是应变式传感器，它通过将TPU和银-TPU-油墨电极，印刷到织物基质上，并且通过“拾放”的方法添加一个微控制器芯片和一个LED读出器，制成一种“袖套”一般的可穿戴设备。它能够通过持续点亮LED灯，指示出穿戴者手臂的弯曲程度。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

另外一个设备是压力传感器，它的形状像人的左脚印，通过交替印刷导电的银-TPU电极和绝缘的TPU层，制成位于柔性TPU基质之上的电容。TPU基质的形变图案要通过手动的电气读出系统来处理，当一个人走到传感器上面的时候，会形成过一个可视化的脚部“热点图”。

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

价值

通过团队对于材料和方法的持续优化，混合3D打印技术有望广泛应用于制造各种电子设备。论文的通讯作者之一、维斯研究生的核心教员、SEAS生物启发工程教授 Lewis 表示：

“我们不仅扩大了可穿戴电子材料的应用范围，而且将我们的可编程的、多材料的印刷平台，拓展用于数字化‘拾放’电子元器件。我们相信这是朝着制造可定制、低成本、机械性能强健的可穿戴电子设备迈出了重要一步。”

（图片来源：哈佛大学维斯生物启发工程研究所）

维斯创始董事、医学博士、哲学博士、哈佛医学院和波士顿儿童医院血管生物学项目的血管生物学教授、哈佛SEAS生物工程教授 Don Ingber 表示：

“这种新方法是跨学科合作的一个典范，跨学科合作也是维斯研究所与其他许多的研究所区别之处。将3D打印技术的精准与电子元器件的数字化编程相结合，我们正逐步建设未来。”

参考资料

【1】https://wyss.harvard.edu/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid-3d-printing/

【2】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703817/full

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