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通过混合3-D印刷制造的低成本可穿戴材料

编辑:博阳新科技 发表时间:2017-9-7
印有柔性TPU底座的银-TPU墨水传感器阵列图

人体皮肤必须弯曲和伸展,以适应身体的一举一动。身体上紧身的任何东西也必须能够在肌肉和关节周围弯曲,这有助于解释为什么合成织物如氨纶在活动中受欢迎。

旨在跟踪和测量身体运动的可穿戴式电子设备必须具有相似的性质,而将刚性电气部件集成在皮肤模仿基质材料上或内部,已被证明是具有挑战性的。这样的部件不能像柔软的材料那样伸展和消散力,并且柔性的不匹配将应力集中在硬元件和软元件之间的连接处,经常导致可穿戴设备失效。

现在,詹妮弗·刘易斯实验室,在哈佛约翰·保尔森工程与应用科学学院和哈佛大学生物启发工程惠氏研究所和博士。和博士在美国空军研究实验室创建了一种新的软电子添加剂制造技术,称为混合3印刷,将柔性导电油墨和基体材料与刚性电子部件集成到单个可拉伸装置中。通过这种技术,我们可以将电子传感器直接打印到材料上,数字地拾取和放置电子元件,并打印完成电子电路的导电互连,以一举地读取传感器的数据信号,第一作者亚历克斯·瓦伦蒂克,谁是威斯研究所的工程师,当研究完成后,目前是波士顿大学医学院的医学生。

一个完整的混合3D打印设备弯曲并符合身体的形状

可拉伸导电油墨由热塑性聚氨酯制成,其是与银薄片混合的柔性塑料。印刷纯和银油墨,以分别制造器件的底层软基片和导电电极。因为衬底和电极都含有,所以当它们被一层一层地印刷时,它们在干燥之前就彼此强烈地粘合在一起,。溶剂蒸发后,两种油墨都会固化,形成一个既柔软又可拉伸的集成系统。印刷过程导致导电油墨中的银薄片沿着打印方向自己对准,使得它们的平坦的板状侧面彼此顶部叠层,如在森林地板上的重叠叶片。这种结构对准提高了沿着印刷电极传导电能的能力。由于油墨和基板是3打印的,我们可以完全控制导电特征图案化的地方,并且可以设计电路来创建几乎每个尺寸和形状的软电子设备。

刘易斯实验室的博士后研究员和本文的合着者。由导电材料组成的软传感器在拉伸时呈现出其导电性的变化即它们如何检测运动与可编程微控制器芯片耦合以处理这些数据,以及读取装置,其以人类的形式传达数据理解。为了实现这一点,研究人员将印刷的软传感器与数字拾放过程组合,通过空的打印喷嘴通常通过其分配油墨来施加适度的真空,以拾取电子部件并将其放置在基板表面采用特定的可编程方式。

因为这些表面安装的电气元件例如,电阻,微芯片本质上是坚硬和刚性的,所以该团队通过在每个部件之下应用一点墨水,然后将其粘贴到底层软基板。一旦干燥,点用于锚定这些刚性部件并在整个基体上分布应力,使得完全组装的装置能够在保持功能的同时被拉伸至30%。由使用该方法制造的平坦片上的12个组成的装置能够反复弯曲成圆柱形,而不会降低的光强度或器件的机械故障。

作为一个简单的概念验证,他们的团队创建了两个软电子设备来演示这种添加剂制造技术的全部功能。通过将和银墨水电极印刷到纺织品基底上并通过拾取和放置方法应用微控制器芯片和读出来制造应变传感器,从而形成可穿戴的套筒状装置,其指示佩戴者手臂正在通过的连续点亮而弯曲。

通过印刷交替层的导电银电极和绝缘来形成第二装置,即人的左脚形状的压力传感器,以在软基板上形成电容器,其变形模式由手动电气读出系统使视觉热图当团队不断优化其材料和方法时,混合三维打印广泛适用于制造无数电子设备。我们已经扩大了可印刷电子材料的调色板,并扩展了可编程的多材料印刷平台,以实现电子元件的数字化拾取和放置。

我们相信,这是制造可定制的可穿戴电子产品的重要的第一步这是较低成本和机械强度的,刘易斯,文章的相应作者,研究所的核心教员,以及生物启发工程的ö教授。

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