技術文章
Technical articles近年來,柔性電子在可穿戴設備、電子皮膚等眾多應用中扮演著越來越重要的角色,以水凝膠為基質(zhì)設計的柔性電子由于其良好的導電性、柔性以及生物相容性等特點受到廣泛的關注,在柔性傳感器、柔性能源器件及人機接口等方面表現(xiàn)出廣闊的應用前景。面投影微立體光刻3D打印技術(PμSL)可快速制造并成型任意形狀和定制設計的結構,為以水凝膠基質(zhì)設計的柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡便性。結合3D打印技術,并對水凝膠進行諸如超抗凍、超拉伸、導電等性能設計,在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應用范圍。
近日,湖南大學王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學鄭平院士等人合作,該團隊基于摩方精密(BMF)超高精度光固化3D打印機nanoArch S/P140,開發(fā)了一種能夠耐受-115℃*導電能力的水凝膠體系,實現(xiàn)了極低溫條件下的可穿戴設備運動信號檢測及腦電信號高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring"為題發(fā)表在Research(Volume 2020 |Article ID 1426078)上。其中,王兆龍助理教授及碩士研究生陳雷為共同一作。
基于面投影微立體光刻技術制造水凝膠結構,首先,作者通過計算機輔助設計(CAD)軟件生成的3D模型按照特定層厚切片為一系列平行的二維數(shù)字圖像,然后,這些切出來的2D圖案被傳輸?shù)紻MD芯片上,DMD芯片通過2D圖案的形狀調(diào)節(jié)其上照射的紫外光(LED,405nm)。具有相應定義的2D圖案的成形紫外光通過一個縮小透鏡,該透鏡將2D圖像投影到具有縮小特征尺寸的水凝膠前體溶液上。圖案化的紫外光照射將會使水凝膠前體溶液在相應區(qū)域發(fā)生局部聚合反應并成型附著在打印平臺上。再控制降低打印平臺,紫外光投影照射繼續(xù)打印下一層。這個過程反復進行,直到整個水凝膠結構被制造出來(圖1)。研究者引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑,將不溶于水的TPO-L均勻分散在水中,提高光引發(fā)劑引發(fā)效率,結合光固化3D打印nanoArchS/P140設備的離型膜的快速離型,大大提高水凝膠的光固化速度;利用納米羥基磷灰石與水凝膠高分子鏈之間形成強烈的物理作用,從而提高3D打印水凝膠的拉伸性(2500%),并進一步提高其機械強度;三元醇和高濃度離子鹽的協(xié)同作用賦予了水凝膠極.佳的導電性和抗凍性(-115℃左右),3D打印水凝膠在極低溫情況下仍然能夠完成拉伸、彎曲和扭轉的動作,并具有一定的低溫導電性(圖2)。
圖1 基于面投影微立體光刻技術的水凝膠加工過程
圖2 水凝膠的力學、電學和抗凍性能設計
優(yōu)異的機械性能和良好的導電性能使其3D打印水凝膠能夠作為應變傳感器用于識別包括手指彎曲、發(fā)聲及吞咽等人體運動信號(圖3);水凝膠還可作為柔性電極檢測和采集諸如人睜、閉眼時的腦/眼電信號(EEG/ EOG),當志愿者在閉上眼睛并放松時,腦電信號顯示出明顯的α波(8~13Hz),當志愿者睜開眼睛并積極思考時,腦電α波即刻消失并逐漸向β波(14~30Hz)方向移動。與當前最.精.確的傳統(tǒng)腦電信號采集裝置對比實驗表明,新體系水凝膠可以準確采集大腦中的腦電信號,反映大腦活動的整體信息,顯示出在人機交互,特別是低溫領域的腦機接口等方面的應用潛力(圖4)。
圖3 柔性應變傳感器應用
圖4 水凝膠柔性電極腦機接口應用
總而言之,本研究基于面投影微立體光刻技術,引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑,利用納米羥基磷灰石提高拉伸性,并結合高濃度的離子鹽和三元醇作為導電介質(zhì)和抗凍劑,使得所開發(fā)的水凝膠體系具有優(yōu)異機械、導電和抗凍性能,并且可作為柔性應變傳感器實現(xiàn)對人體運動和微弱信號的實時監(jiān)控,同時可進一步用作腦機接口,準確采集大腦中的腦電信號,包括α、β波以反映大腦活動的整體信息。本文提出的水凝膠在電子皮膚、人機交互甚至.極低溫情況下的可穿戴設備中具有良好的應用前景。未來,微尺度3D打印技術的加入使得復雜3D結構多功能柔性電子和復雜腦機接口的快速制造成為可能。
原文鏈接:
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1426078/