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    面向機器人的可打印帶有傳感器的皮膚

    在智能手機和平板電腦的時代,觸敏表面無處不在。它們也很脆弱,因為到處都有手機屏幕破裂的人可以證明。用傳感器覆蓋機器人(或飛機或橋梁),將需要一種既靈活又具有成本效益的批量生產技術。麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室的一組研究人員認為3D打印可能是答案。

    為了證明結合傳感器和處理電路并可以在其環境中起作用的柔性,可印刷電子設備的可行性,研究人員設計并制造了一種通過改變表面斑點的顏色來響應機械應力的設備。

    該裝置的靈感來自于金龜甲蟲或“金蟲”,這是一種昆蟲,其外表通??雌饋硎墙鹕?,但是如果將其戳破或推向昆蟲,即機械地施加壓力,其外觀會變成紅橙色。

    麻省理工學院電氣工程與計算機科學(EECS)研究生Subramanian Sundaram說:“在本質上,傳感器和互連網絡被稱為感覺運動通路。” “我們試圖看看我們是否可以在3D打印物體內復制感覺運動通路。因此,我們認為我們可以找到最簡單的生物。”

    研究人員在《先進材料技術》雜志上介紹了他們的新設計。Sundaram是該論文的第一作者,資深作者是Sundaram的顧問EECS副教授Wojciech Matusik。EECS教授兼電子研究實驗室主任Marc Baldo。Matusik實驗室的前博士后Pitchaya Sitthi-Amorn加入了論文。姜子文,EECS的一名本科生;和Matusik計算制造小組的技術助理David Kim。

    自下而上

    數十年來,在柔性電子線路上沉積有某種類型的塑料基板的可印刷電子線路一直是研究的主要領域。但是Sundaram表示,能夠印刷基板本身的能力大大增加了該技術可以生產的器件范圍。

    一方面,基板的選擇限制了可以沉積在其頂部的材料的類型。由于印刷基板可以由許多材料組成,這些材料以錯綜復雜但規則的圖案互鎖,因此拓寬了可印刷電子產品可以使用的功能材料的范圍。

    印刷的基材也打開了設備的可能性,盡管這些設備以平板形式印刷,但可以將自身折疊成更復雜的三維形狀。例如,加熱時自發組裝的可印刷機器人是CSAIL分布式機器人實驗室正在進行的研究的主題,該實驗室由MIT的安德魯和厄爾納·維特比電氣工程與計算機科學教授Daniela Rus領導。

    Sundaram說:“我們相信,只有能夠打印下面的基材,您才可以開始考慮打印更復雜的形狀。”

    麻省理工學院的研究人員的新裝置大約是T形,但具有寬而下蹲的基座和細長的橫桿。橫桿由彈性塑料制成,并在其全長上鋪有一條銀條。在研究人員的實驗中,將電極連接到交叉開關的兩端。T型車的底座由更堅硬的塑料制成。它包括兩個印刷晶體管,研究人員稱之為“像素”,一個半導體聚合物的圓,當交叉開關拉伸時,其顏色會改變,從而改變了銀帶的電阻。

    實際上,晶體管和像素是由相同的材料制成的。當交叉開關伸展時,晶體管的顏色也會略有變化。但是,由于晶體管放大了來自縱橫開關的電信號,因此在像素中的效果更加明顯。Sundaram說,證明工作晶體管是必不可少的,因為大而密集的傳感器陣列需要一定的容量來進行板載信號處理。

    他說:“您不想將所有傳感器都連接到主計算機,因為那樣一來,您將收到大量數據。” “您希望能夠進行巧妙的連接并僅選擇相關信號。”

    為了制造這種設備,研究人員使用了Matusik小組開發的MultiFab,這是一種定制的3-D打印機。MultiFab已經包括兩個不同的“打印頭”,一個用于發射熱材料,一個用于冷卻,以及一系列的紫外線發光二極管。使用紫外線輻射來“固化”由打印頭沉積的液體,將產生設備的基材。

    Sundaram添加了銅和陶瓷加熱器,這對于沉積半導體塑料是必不可少的:塑料懸浮在噴灑到設備表面的液體中,加熱器將液體蒸發,留下僅200納米厚的塑料層。

    流體邊界

    晶體管由半導體通道組成,在其頂部放置一個“柵極”,即金屬線,該金屬線在充電時會產生電場,從而在半導體的導電狀態和非導電狀態之間切換。在標準晶體管中,柵極和半導體之間有一個絕緣體,以防止柵極電流泄漏到半導體通道中。

    麻省理工學院研究人員設備中的晶體管則用一層含鉀鹽的水將柵極和半導體分開。給柵極充電會驅動鉀離子進入半導體,從而改變其導電性。

    鹽水層會降低設備的工作電壓,因此可以使用普通的1.5伏電池供電。但這確實使設備不耐用。“我認為我們可能可以使其穩定運行兩個月,” Sundaram說。“一種選擇是用介于固體和液體之間的某種物質(例如水凝膠)代替該液體。但這是我們以后要處理的事情。這是初步演示。”

    “該系統的概念和實現給我留下了深刻的印象,”德國斯圖加特馬克斯·普朗克固體研究所的有機電子研究小組負責人哈根·克勞克說。“通過沉積3-D打印沉積所有材料(包括固體和液體)來印刷整個光電系統(包括基板和所有組件)的方法無疑是新穎,有趣且有用的,并且可以演示功能系統確認該方法也是可行的。通過動態制造基板,該方法對于臨時的制造環境特別有用,在這些環境中,可能無法獲得專用的基板材料。”

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