哈佛大學(xué)的混合3D打印技術(shù)制造出可拉伸的可穿戴電子設(shè)備

哈佛大學(xué)威斯研究所（Wyss Institute）和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)了一種新的軟電子“混合3D打印”技術(shù)。該技術(shù)可用于制造可穿戴電子設(shè)備，有很大的應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究已經(jīng)發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上，題為“混合3D打印柔性電子設(shè)備”。
據(jù)研究人員介紹，這種混合3D打印技術(shù)將柔性導(dǎo)電墨水、基體材料與剛性電子元件集成到單個(gè)可拉伸的設(shè)備中。

電子傳感器可以被直接3D打印到軟質(zhì)材料上，同時(shí)該工藝還可以數(shù)字化地拾取和放置電子元件，以及為讀取傳感器數(shù)據(jù)所需的電子電路打印導(dǎo)電互連。重要的是，該技術(shù)可以顯著減少制造時(shí)間和成本，并且能制造出更強(qiáng)大的設(shè)備。
在新的3D打印過(guò)程中，一種由熱塑性聚氨酯（TPU）制成的、混合有銀片的可拉伸導(dǎo)電墨水被3D打印到一個(gè)TPU基板上。銀片會(huì)沿著打印方向自動(dòng)對(duì)齊，因此它們能一層層重疊在一起。這種制造方式能“完全控制電子電路的圖案模式”，并且?guī)缀跄苤圃烊魏纬叽绾托螤畹能涬娮与娐贰?br />

“由于基板和電極都含有TPU，所以當(dāng)它們被一層一層聯(lián)合打印時(shí)，它們會(huì)在干燥前牢固地粘合在一起，”研究人員解釋說(shuō)，“溶劑蒸發(fā)后，兩種墨水都會(huì)固化，形成一個(gè)既柔軟又可拉伸的集成系統(tǒng)?！?
數(shù)字化的“拾取-放置工藝”涉及使用一個(gè)空的打印噴嘴來(lái)形成一個(gè)適度的真空，該工藝能將一個(gè)可編程的微控制器芯片和讀出裝置集成到軟傳感器中。經(jīng)過(guò)編程，這個(gè)真空打印噴嘴可以精確地將電子部件放置在基板表面上。

為了確保這些剛性電子部件與可拉伸設(shè)備兼容，研究人員想出了一種聰明的方法：在將部件連接到柔性TPU基板前，在每個(gè)部件下面滴上一滴TPU墨水。干燥后，這些TPU墨水會(huì)固定好剛性部件，并將應(yīng)力分散到整個(gè)基體上。這意味著設(shè)備可以延伸30％，同時(shí)仍然保持功能性。

為了讓大家了解這種混合3D打印技術(shù)的用途，研究團(tuán)隊(duì)制作了兩個(gè)令人印象深刻的演示產(chǎn)品。其中一個(gè)涉及一個(gè)應(yīng)變傳感器，具體的做法是：將銀-TPU-墨水電極打印到一個(gè)紡織品基底上，用拾放技術(shù)來(lái)集成一個(gè)微控制器芯片和讀出LED設(shè)備。結(jié)果是一個(gè)像衣袖一樣的可穿戴設(shè)備，可以精確測(cè)量穿戴者的手臂彎曲程度，測(cè)量結(jié)果會(huì)顯示在一個(gè)LED顯示屏上。這種可穿戴設(shè)備可用來(lái)分析運(yùn)動(dòng)員的投擲技術(shù)，當(dāng)然，它還有很多其他應(yīng)用。
研究人員說(shuō)，這項(xiàng)新的混合3D打印技術(shù)非常令人興奮，并相信“這是制造低成本、具有機(jī)械強(qiáng)度、定制的可穿戴電子設(shè)備的一個(gè)重要開始。”