可編程仿生超材料電子的熔模微鑄造3D打印方法

來源：CellPress細(xì)胞科學(xué)

超材料通過各結(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、種類多樣的超材料電子器件，對(duì)多類型、高性能、難成型器件的制造具有重要意義。

基于此，來自西安交通大學(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。繼而模仿觸覺強(qiáng)弱感知，制造類神經(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模仿皮膚多種功能實(shí)現(xiàn)類觸覺感知的復(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)的依賴度高，性能開發(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）：可溶性光敏樹脂的合成及微尺度結(jié)構(gòu)打印。通過研究并調(diào)控樹脂組成及曝光成型規(guī)律，實(shí)現(xiàn)常溫常壓下無明顯溶脹的光固化“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，該樹脂體系可裂解成鹽并溶于水，無固體殘余，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)的可溶光敏樹脂3D打印預(yù)模（PM）。

圖2 跨尺度2D/3D可溶性樹脂合成及微尺度結(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（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（>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具身智能應(yīng)用。

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