造成穿戴式電子設備故障的常見原因是剛性電氣元件與符合人體運動的軟質(zhì)柔性材料之間的失配。這種失配集中在軟硬材料連接的應力處。如今，研究人員已經(jīng)創(chuàng)造出了一種新的軟電子添加劑制造技術(shù)，稱為混合3D印刷技術(shù)，將柔性導電油墨和熱塑性聚氨酯(TPU)與剛性電子元件集成到一個單一的可拉伸裝置中。研究人員認為這是制造可定制、可穿戴電子產(chǎn)品的第一步，其成本低于當前設備，同時機械穩(wěn)定性也很好。
由混合3D打印生產(chǎn)的平板熱塑性聚氨酯片上的12個發(fā)光二極管(LED)組成的裝置被重復彎曲成圓柱形，然而LED的光強度不會降低、裝置也不會出現(xiàn)機械故障。 圖片由哈佛大學Alex Valentine，Lori K. Sanders和Jennifer Lewis提供。
這個重大突破是由哈佛大學威斯利生物啟發(fā)工程研究所的Jennifer Lewis實驗室和哈佛約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)和J. 美國空軍研究實驗室的Daniel Berrigan博士和Michael Durstock博士共同發(fā)現(xiàn)的。以下轉(zhuǎn)載的Wyss Institute網(wǎng)站上的新聞稿詳細描述了這項研究，《高級材料》雜志刊登了一篇關(guān)于這項研究的論文。
可拉伸導電油墨由混合著薄片的TPU制成。印刷純TPU和銀-TPU油墨，以分別創(chuàng)建設備的底層軟基板和導電電極。即將成為Wyss研究所的工程師但是目前是波士頓大學醫(yī)學院的醫(yī)學生Alex Valentine表示，“因為基板和電極都包含TPU，當它們被逐層共印后，在干燥之前就彼此強烈地粘合在一起，溶劑蒸發(fā)后，兩種油墨都會固化，形成一個既柔軟又可拉伸的集成系統(tǒng)?！?br />
印刷過程導致導電油墨中的銀薄片沿著打印方向自我對準，因此它們平坦的板狀側(cè)面彼此在頂部疊層，如在森林土地上的重疊葉片。這種結(jié)構(gòu)對準提高了沿印刷電極傳導電能的能力。Will Boley博士說，“由于墨水和基材是3D印刷的，我們可以完全控制導電特征圖案的位置，并且可以設計電路來創(chuàng)建幾乎每個尺寸和形狀的軟電子設備，”Boley是SEAS的Lewis實驗室博士后研究員及本文的合著者。
研究人員將由導電材料組成的軟傳感器在拉伸時呈現(xiàn)的導電性的變化(即它們?nèi)绾螜z測移動)與可編程微控制器芯片耦合以處理實驗數(shù)據(jù)，以及以人類可以理解的形式傳達數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)這一點，研究人員將印刷的軟傳感器與數(shù)字拾取和放置過程相結(jié)合，該過程通過空的印刷噴嘴施加適度的真空，以拾取電子元件并以特定的可編程方式將其放置在基板表面上。
因為這些表面安裝的電氣部件本質(zhì)上是堅硬和剛性的，所以在將其連接到下面的軟TPU基板之前，團隊利用了TPU的粘合性能，在每個部件下方涂一點TPU墨水。一旦干燥，TPU點錨定這些剛性部件并在整個矩陣中分布應力，允許裝置在保持性能的同時被拉伸至30%。由使用該方法制造的平坦TPU片上的12個發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成的裝置能夠反復彎曲為圓筒形，而不會導致LED的光強度降低或器件的機械故障。
作為一個簡單的概念驗證，該團隊創(chuàng)建了兩個軟電子設備來演示這種添加劑制造技術(shù)的全部功能。通過將TPU和銀-TPU-墨水電極印刷到紡織品基底上并通過拾取和放置方法應用微控制器芯片和讀出的LED來制造應變傳感器。所產(chǎn)生的可穿戴套筒狀裝置表示穿過者的手臂通過LED的連續(xù)照明的彎曲程度。通過印刷交替層的導電銀-TPU電極和絕緣TPU來形成第二裝置，即人的左腳印形狀的壓力傳感器，以在柔性TPU襯底上形成電容器。變形圖案通過手動電讀取系統(tǒng)進行處理，以在人們踏上傳感器時制作腳的視覺圖像。
當團隊不斷優(yōu)化材料和方法時，混合3D打印已廣泛適用于制造無數(shù)電子設備。Lewis說：“我們已經(jīng)擴大了可打印電子材料的調(diào)色板，并擴展了可編程的多材料打印平臺，以實現(xiàn)電子元件的數(shù)字化選擇?！?br />
Wyss創(chuàng)始總監(jiān)，同時也是哈佛醫(yī)學院的血管生物學和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學教授，以及哈佛SEAS生物工程教授的Don Ingber博士說，“這種新方法是將Wyss研究所與許多其他實驗室區(qū)分開來的跨學科合作工作的一個很好的例子，通過將3D打印的物理精度與電子元件的數(shù)字可編程性相結(jié)合，我們正在建設未來?！?br />
這項研究獲得了空軍研究實驗室材料與制造局和UES，海軍研究辦公室的Vannevar Bush教授獎學金計劃，GETTYLAB以及哈佛大學Wyss學院的支持。
