可編程仿生超材料電子的熔模微鑄造3D打印方法

來(lái)源：CellPress細(xì)胞科學(xué)

超材料通過(guò)各結(jié)構(gòu)單元的特異性組合,，為仿生電子器件的多模態(tài)集成與解耦提供實(shí)現(xiàn)路徑,。然而,，制造工藝和功能材料的不匹配嚴(yán)重制約電子器件的材料與制造手段的的選擇范圍,。早在兩千年前的春秋時(shí)期,，失蠟法便用于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、配比多樣的青銅器。若能通過(guò)微尺度3D打印制備可溶化“蠟?zāi),！�,，進(jìn)而獲取空心“模骨”后注入功能材料，則可制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、種類(lèi)多樣的超材料電子器件,，對(duì)多類(lèi)型、高性能,、難成型器件的制造具有重要意義,。

基于此，來(lái)自西安交通大學(xué)的陳小明,、邵金友教授團(tuán)隊(duì)在《Device》上發(fā)表一篇題為“ Investment micro-casting 3D-printed multi-metamaterial for programmable multimodal biomimetic electronics”的論文,。

本文提出了一種基于布爾邏輯的熔模微鑄造μ-3D打印（BμSL）技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了多種不同功能材料的復(fù)雜高精結(jié)構(gòu)成型,。繼而模仿觸覺(jué)強(qiáng)弱感知，制造類(lèi)神經(jīng)元超材料器件,，增強(qiáng)了機(jī)械手抓取的自主執(zhí)行與多模態(tài)識(shí)別能力,。這項(xiàng)研究為可編程超材料電子的設(shè)計(jì)與制造提供一種通用策略。

受古代青銅器失蠟法鑄造工藝啟發(fā),，提出一種面向多材料,、難成型、跨尺度,、可編程的超材料電子3D打印方法,；

提出一種基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的微注塑方法，實(shí)現(xiàn)超20種復(fù)雜超材料器件成型,；

設(shè)計(jì)與制造類(lèi)神經(jīng)元效應(yīng)的壓電超材料電子,，實(shí)現(xiàn)仿生抓取、多模態(tài)特征解耦,、自感知識(shí)別與強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用,。

超材料電子皮膚是通過(guò)模仿皮膚多種功能實(shí)現(xiàn)類(lèi)觸覺(jué)感知的復(fù)合器件,，有助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈巧操作和精準(zhǔn)識(shí)別（如：柔軟度和紋理）。通過(guò)3D打印優(yōu)異功能導(dǎo)向的人工結(jié)構(gòu),，器件可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)感知集成與解耦,。但在制造上也由于超材料的功能集成度高而面臨如下挑戰(zhàn)：

功能材料在打印中的相變不易受控（如激光、熱或光子沖擊）,；

打印材料的功能負(fù)載度低（如含量或均一性）,；

功能材料對(duì)打印參數(shù)的依賴(lài)度高，性能開(kāi)發(fā)范圍受限,；

跨尺度,、懸臂及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難打印，微尺度誤差控制困難,；

為了盡可能降低打印工藝對(duì)器件性能的削弱,，解決超材料器件“材料-結(jié)構(gòu)-工藝”不匹配的問(wèn)題，作者受古代青銅器失蠟法鑄造工藝啟發(fā),，提出一種基于布爾邏輯的熔模微鑄造3D打印方法（BμSL）,，通過(guò)制備可去除的3D微鑄造模具，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、材料多樣的電子器件制造,。

1.BμSL制造方法及特點(diǎn)
如圖1所示為熔模微鑄造3D打印方法的示意圖，并展示了多種難成型功能材料的超材料結(jié)構(gòu),，包括高固相含量的鐵基電磁材料和鈦酸鋇基壓電功能材料,，以及Ga-In金屬和海藻酸鈉水凝膠。該方法還可制造多材料,、多類(lèi)型復(fù)雜微結(jié)構(gòu),，包括極小曲面晶格、八角桁架等,。多種功能材料與復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的隨機(jī)組合,，極大拓寬了可制造器件的范圍。進(jìn)一步,，作者提出一種具有梯度化結(jié)構(gòu)的三維壓電超材料電子,，通過(guò)模仿皮膚神經(jīng)元的分布特點(diǎn)，突出“材料-結(jié)構(gòu)-功能”一體化的制造優(yōu)勢(shì),。

圖1 基于布爾邏輯的熔模微鑄造3D打印方法

2.可溶性光敏樹(shù)脂合成及微尺度打印
首先，作者研究了BμSL方法中的關(guān)鍵工藝步驟（圖2）：可溶性光敏樹(shù)脂的合成及微尺度結(jié)構(gòu)打印,。通過(guò)研究并調(diào)控樹(shù)脂組成及曝光成型規(guī)律,，實(shí)現(xiàn)常溫常壓下無(wú)明顯溶脹的光固化“蠟?zāi)！敝圃�,，最小成形尺寸可達(dá)10 μm,。與LIGA刻蝕及其他可溶可打印的高分子體系對(duì)比，該樹(shù)脂體系可裂解成鹽并溶于水，無(wú)固體殘余,，在裂解率和最小成型尺寸上具有明顯的優(yōu)勢(shì),。其中，該研究利用摩方精密nanoArch® P140（精度：10 μm）3D打印系統(tǒng)制備了一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可溶光敏樹(shù)脂3D打印預(yù)模（PM）,。

圖2 跨尺度2D/3D可溶性樹(shù)脂合成及微尺度結(jié)構(gòu)打印

3.跨尺度功能超材料
作者進(jìn)一步對(duì)超疏水可穩(wěn)定去除的“模骨”制造進(jìn)行了研究（圖3）,。實(shí)現(xiàn)“蠟?zāi)！迸c“模骨”的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化是BμSL方法中的難點(diǎn),。作者提出基于電潤(rùn)濕效應(yīng)的微流道異質(zhì)材料置換方法,，得到了跨尺度、多種類(lèi)（PVDF/CNT,，PVA/BNNS）的壓電超材料,，包括具有微觀三維結(jié)構(gòu)的橡膠基超材料和具有微-納二級(jí)結(jié)構(gòu)的氣凝膠超材料。與同類(lèi)型制造方法對(duì)比,，BμSL在成形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)徑比（>20）,、材料選擇種類(lèi)（>20）和成型尺寸（50μm）等方面，均優(yōu)于其它方法,。

圖3 跨尺度功能超材料制造及綜合性能對(duì)比

4.仿生超材料壓電器件及可編程性能設(shè)計(jì)
進(jìn)一步,，如圖4所示，為說(shuō)明BμSL方法在結(jié)構(gòu)-功能一體化器件上的應(yīng)用,，作者設(shè)計(jì)并制造了具有梯度化結(jié)構(gòu)的柔性壓電超材料（FMG）,。通過(guò)模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，獲得多組性能可調(diào),、結(jié)構(gòu)可變的壓電單體器件（FMPx）,。結(jié)果表明FMPx的小載荷響應(yīng)較無(wú)結(jié)構(gòu)化器件提升近20倍，進(jìn)而將其梯度化組裝,，可得到兼具小載荷靈敏響應(yīng)性和大載荷穩(wěn)定服役性的梯度化結(jié)構(gòu)超材料器件FMG,。這說(shuō)明BμSL方法可提高柔性壓電超材料電子的響應(yīng)可調(diào)控能力，拓展了適用范圍,。

圖4 仿生壓電超材料及其性能可調(diào)控設(shè)計(jì)

5.多模態(tài)感知系統(tǒng)及自主交互
作者建立了壓電超材料器件與機(jī)械手自主控制的交互系統(tǒng)（圖5）,。通過(guò)將多個(gè)FMG-T/J器件分別安裝到機(jī)械手的尖端和關(guān)節(jié)處，測(cè)試并獲取仿生多模態(tài)陣列感知系統(tǒng)（BASS）對(duì)軟硬感知的斜率特征（kx）和抓取狀態(tài)（U(θ)）的響應(yīng)特征,。研究發(fā)現(xiàn),，該系統(tǒng)增強(qiáng)了機(jī)械手對(duì)易碎、易變形等15種物體的感知能力,。作者通過(guò)將感知數(shù)據(jù)結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練,，顯著提高了硬度識(shí)別精度。BASS賦予機(jī)械手對(duì)不同軟硬物體（0.72-13.15 kg/cm2）的動(dòng)態(tài)抓取反饋和多模態(tài)（接觸,、彎曲,、摩擦,、剛度）感知能力。

圖5 仿生多模態(tài)陣列感知系統(tǒng)

總結(jié)
綜上,，本文研究結(jié)果為仿生超材料電子的“材料-結(jié)構(gòu)-功能”一體化制造及性能調(diào)控提供了實(shí)現(xiàn)方案,。BμSL方法為仿生超材料電子性能設(shè)計(jì)帶來(lái)新的實(shí)現(xiàn)思路，降低了多模態(tài)器件的感知集成難度,。該工作所得到的感知交互系統(tǒng)為機(jī)械手自主操縱與反饋提供大量數(shù)據(jù),，未來(lái)可靈活應(yīng)用于軟電子器件、機(jī)器人自主判斷與識(shí)別,、柔性觸手及控制等多類(lèi)具身智能應(yīng)用,。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100658