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西安交大王莉團(tuán)隊 Sci. Adv. 封面：三維軟智能器件的制造突破 →跨尺度執(zhí)行器和高精度溫度場傳感器的3D打印實現(xiàn)
2024-03-15  來源：高分子科技

  液晶彈性體（LCE）材料能夠在外界熱、光或磁場等刺激下發(fā)生大可逆變形并輸出大做功，且有可遠(yuǎn)程無線操控的優(yōu)勢，已經(jīng)被人工肌肉、軟體機(jī)器人、柔性可穿戴電子等領(lǐng)域廣泛關(guān)注。目前，大多數(shù)研究集中在宏觀結(jié)構(gòu)或準(zhǔn)周期簡單微結(jié)構(gòu)的成形和應(yīng)用。微納尺度3D打印技術(shù)可以制造相對復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，但制造的三維微細(xì)結(jié)構(gòu)對非接觸式刺激進(jìn)行響應(yīng)實現(xiàn)復(fù)雜可控變形依舊是一個挑戰(zhàn)。


  近日，西安交通大學(xué)王莉副教授團(tuán)隊開發(fā)一種熔融電流體3D打印技術(shù)，用于液晶彈性體從微米尺度到厘米及以上尺度的軟執(zhí)行器，如圖1所示。研究人員制造了對熱刺激響應(yīng)的各種宏微跨尺度結(jié)構(gòu)軟執(zhí)行器，并首次將LCE材料應(yīng)用于溫度場檢測領(lǐng)域，開發(fā)出一種集成了機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)模型的環(huán)境溫度場傳感器。相關(guān)研究成果以“Melt electrowriting enabled 3D liquid crystal elastomer structures for cross-scale actuators and temperature field sensors”為題作為封面文章發(fā)表在《Science Advances》上，西安交通大學(xué)博士馮學(xué)明為論文第一作者，王莉副教授是共同第一作者兼通訊作者。


圖1 熔融電流體3D打印制造LCE宏微跨尺度結(jié)構(gòu)


熔融電流體3D打印的LCE微纖維基本力學(xué)性能


  熔融電流體3D打印技術(shù)通過施加在金屬針頭末端的直流高壓電場作用形成錐射流并沉積到基底上。結(jié)合基底的三軸移動層層堆疊射流成型宏微跨尺度結(jié)構(gòu)。由于泰勒錐處的強(qiáng)大剪切力，介晶在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生可編程取向排列。打印的LCE微纖維直徑可以從最小4.5μm到70μm之間可控變化，熱致應(yīng)變從10%到55%變化，最大做功密度高達(dá)160J/Kg。此外，研究人員采用高達(dá)15Hz的熱氣流刺激纖維執(zhí)行器并負(fù)載超過自重3500被的滑塊重物，纖維執(zhí)行器依舊能上下提升重物并做功，響應(yīng)時間低于33ms。


圖2 熔融電流體3D打印的纖維執(zhí)行器形貌及熱致動性能測試


3D打印具有梯度變化的尺寸和熱致應(yīng)變性能的單元微結(jié)構(gòu)


  熔融電流體3D打印能夠沿著指定的路徑精確沉積不同直徑的LCE微纖維，從而實現(xiàn)熱致應(yīng)變性能的單元微結(jié)構(gòu)。如下圖所示，LCE微纖維層層堆疊在一起形成高度精確可控的大高寬比薄壁單元結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部纖維層間緊密粘結(jié)沒有明顯的階梯效應(yīng)。其最大高寬比可達(dá)100，而常規(guī)電流體3D打印的薄壁結(jié)構(gòu)高寬比通常低于60，其最大應(yīng)變能到50%；诖耍芯咳藛T設(shè)計并打印了多種薄壁單元結(jié)構(gòu)，并測試了從室溫加熱至120℃前后的熱致變形。


圖3 3D打印具有梯度變化的尺寸和熱致應(yīng)變性能的單元微結(jié)構(gòu)


3D打印捕蠅草啟發(fā)的微抓手和大面積晶格結(jié)構(gòu)


  捕蠅草在受到刺激下能夠自動閉合兩瓣葉子，在亞秒內(nèi)捕獲昆蟲。受此啟發(fā)，研究人員設(shè)計了并制造了由兩個在零點處交匯的正弦曲線薄壁墻結(jié)構(gòu)組成的微抓手，如圖3所示。由于零點位置處的正弦曲線薄壁墻結(jié)構(gòu)在受熱收縮時受力平衡而保持位置不變，可實現(xiàn)開/合夾取/釋放物體。本文采用一個超過微抓手自重的33倍貼片電感作為負(fù)載測試其抓取能力。結(jié)果表面，打印的微抓手在循環(huán)加熱/冷卻刺激下可以輕松抓取/釋放微電感器件。


圖4捕蠅草啟發(fā)的微抓手和大大面積3D晶格陣列


  熔融電流體3D打印成形結(jié)構(gòu)的尺寸取決于制造基臺的運(yùn)動幅面，這使得高分辨率微結(jié)構(gòu)的大規(guī)模、低成本制造成為可能。如圖4I所示，研究人員采用熔融電流體3D打印了正方形、三角形和正弦曲線形三種大面積晶格陣列，并測試了它們的熱致收縮變形。受到這種網(wǎng)格結(jié)果熱致收縮的啟發(fā)，研究人員用它實現(xiàn)了環(huán)境溫度場傳感檢測，如下圖5所示。


圖5 基于熔融電流體打印網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與集成深度學(xué)習(xí)模型的環(huán)境溫度場傳感器


3D打印集成深度學(xué)習(xí)模型的溫度場傳感器


  研究人員采用熔融電流體3D打印制造了LCE網(wǎng)格，當(dāng)環(huán)境溫度場發(fā)生變化，高溫區(qū)域的LCE網(wǎng)格受熱收縮變小，而低溫區(qū)域的網(wǎng)格被拉長變大。采用機(jī)器視覺結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，得到環(huán)境溫度場的高精度、實時監(jiān)測。檢測區(qū)間從25℃到110℃，平均精度94.79%，響應(yīng)時間低于43ms。有望替代傳統(tǒng)的熱電偶或光纖式分布傳感器。


  可編程液晶彈性體三維微結(jié)構(gòu)的高精度制造始終是一個難題，熔融電流體3D打印技術(shù)為此提供了一種低成本、大規(guī)模、高分辨率制造工藝。西安交大王莉副教授團(tuán)隊長期從事電流體3D打印研究，已經(jīng)形成了一套成熟的電流體3D打印裝備、工藝和材料體系。對電流體打印剪切取向排列微納尺度一維材料（包括銀納米線、碳納米管和液晶高分子長鏈等）具有長期的研究經(jīng)驗（ACS Appl. Mater. Interfaces,Doi.org/10.1021/acsami.2c09672）。本項目的研究有可能為LCE微尺度軟執(zhí)行器提供一種可行的制造手段，在微機(jī)電系統(tǒng)、半導(dǎo)體、生物技術(shù)等領(lǐng)域微尺度操作場景具有較高的應(yīng)用潛力。在前期電流體3D打印研究工作中通過電場設(shè)計引導(dǎo)液滴沉積開發(fā)了一種新型電霧化水刻蝕法可以進(jìn)行微納米級準(zhǔn)周期孔狀結(jié)構(gòu)的圖案化（Nano Energy,DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104974）。


  原文鏈接 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3854


通訊作者簡介

  王莉老師課題組工作于中國3D打印之父盧秉恒院士領(lǐng)導(dǎo)下的西安交通大學(xué)先進(jìn)制造研究所，其研究圍繞微流體行為調(diào)控的增材制造及應(yīng)用開展，涉及的3D打印工藝有：微噴3D打印、EHD打印、快速無層面曝光打印等。研究范圍包括: 基于深度學(xué)習(xí)的3D打印、微納制造、軟體機(jī)器人及柔性可穿戴電子與光電子器件制造、3D打印結(jié)構(gòu)功能創(chuàng)新設(shè)計等，承擔(dān)了包括國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項、國家重點研發(fā)計劃以及省部級重大專項等項目。歡迎各界合作交流。主頁：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/wanglime
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