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湖大王兆龍課題組:基于3D打印可降解水凝膠的快速可編輯人機界面

更新時間:2022-09-15點擊次數(shù):740


水凝膠憑借著可拉伸的三維高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及可供離子傳輸?shù)乃原h(huán)境在可穿戴器件、瞬態(tài)電子和人機交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而,伴隨著柔性電子領(lǐng)域的快速發(fā)展,如何解決大量的柔性電子產(chǎn)品廢棄物成為了挑戰(zhàn)之一。受此啟發(fā),湖南大學(xué)王兆龍副教授、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士、南方科技大學(xué)葛锜教授、航天五院楊東升研究員合作,在《Materials Today Physics》期刊上發(fā)表了題為“Ultra-fast programmable human-machine interface enabled by 3D printed degradable conductive hydrogel"的文章。該文章利用面投影光刻技術(shù)(nanoArch P140,摩方精密)制備了高精度高拉伸可導(dǎo)電水凝膠樣品及可編輯線路。在特定環(huán)境下,體系能被*降解,實現(xiàn)柔性電子的環(huán)保無殘留。


圖1 基于面投影微立體光刻3D打印技術(shù)的水凝膠。(a)面投影光刻技術(shù)原理圖。(b)水凝膠前體溶液組成。(c)前體溶液固化前后展示圖。(d)H2O-H2O、H2O-PG、PG-PG 和 PAM-H2O-PG 的氫鍵相互作用的密度泛函理論分析(DFT)。(e)掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。(f)基于面投影光刻技術(shù)制備的高精度海星和雪花樣品。


具體的溶液制備和加工過程如圖1a-b所示,先將光引發(fā)劑 (2, 4, 6-三.甲.基.苯甲?;?苯基次膦酸乙酯(TPO-L)分散在1,2-丙二醇中,得到溶液A。同時,將氯.化.鉀(KCl)、丙烯酰胺(AAm)和聚(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(PEGDMA)加入去離子(DI)水中混合均勻得到溶液B。將溶液A、B混合均勻,超聲處理得到水凝膠前體溶液(圖 1c),在405nm紫外光的照射下能被*固化。三維多孔網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)保證了高拉伸性能,圖2a-c展示了不同成分含量下樣品的拉伸性。研究人員通過單軸拉伸測試探究了不同成分含量對拉伸性能的影響。此外,還探究了電導(dǎo)率的影響因素(圖2d-h),證明了基于高拉伸導(dǎo)電水凝膠器件的低溫工作性能。


圖2 力學(xué)與電學(xué)性能的探究。(a)拉伸測試。不同含量(b) 丙烯酰胺,(c) 1,2-丙二醇的水凝膠樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同含量(d)氯.化.鉀,(e)丙烯酰胺和(f)1,2-丙二醇的水凝膠樣品的電導(dǎo)率測試。(g)丙烯酰胺和去離子水質(zhì)量比為3的水凝膠樣品的差示掃描量熱(DSC)曲線。(h)不同溫度下的電導(dǎo)率。(i) 拉伸與導(dǎo)電性能的綜合展示。


水凝膠的可降解的性能由酰胺基和交聯(lián)劑的共同水解實現(xiàn),圖3b展示了六邊形水凝膠樣品的降解過程(pH=13)。通過改變樣品的形狀、厚度或表面積,能夠?qū)ζ浣到馑俣冗M行調(diào)控。除了幾何參數(shù),水凝膠前體溶液的成分含量、環(huán)境的pH值和溫度都會影響降解速率。(圖3c-g)


圖3 降解性能探究。(a)堿性環(huán)境中的降解原理圖。(b)六邊形水凝膠樣品在pH值為13的堿性溶液中的降解過程。不同含量(c)丙烯酰胺,(d)PEGDMA和(e)1,2-丙二醇的水凝膠樣品的降解時間測試。(f)不同pH值下的降解時間。(g)不同溫度下的降解時間。


基于高拉伸可降解導(dǎo)電水凝膠的柔性電子具有優(yōu)異的工作性能,研究人員將其應(yīng)用在柔性傳感及人機交互等應(yīng)用中。如圖4a-b所示,基于水凝膠的柔性傳感器對于重復(fù)的機械運動具有準(zhǔn)確靈敏的監(jiān)測能力,具有廣泛的傳感范圍,從而達成穩(wěn)定傳感的目的。研究人員主要對手指彎曲、不同頻率的重復(fù)運動、吞咽、發(fā)音等動作進行了監(jiān)測。研究結(jié)果如圖4c-i所示。除此之外,研究人員還利用水凝膠器件的可降解性能對瞬態(tài)電子及可編輯人機界面應(yīng)用的可行性進行了探究。圖5a展示了通過降解和修復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)串并聯(lián)電路的快速轉(zhuǎn)換。人機界面由基于水凝膠電路的肌電采集系統(tǒng)組成(圖5b),可穩(wěn)定獲取五個手指的肌電信號,開發(fā)的 EMG 收集系統(tǒng)能夠?qū)?fù)雜的手勢進行編碼,實現(xiàn)人手控制機械手進行動作,如圖5c-g展示,證明了基于3D打印可降解導(dǎo)電水凝膠在快速可編輯人機界面應(yīng)用的可行性。值得一提的是,基于水凝膠的體系能被*降解,為可編程和環(huán)??纱┐髟O(shè)備提供了新思路。


圖4 基于水凝膠的柔性傳感器監(jiān)測性能。(a)不同應(yīng)變下水凝膠應(yīng)變傳感器相對電阻變化曲線。(b)不同拉伸率下的靈敏度。(c) 手指彎曲,(d)手指不同頻率連續(xù)彎曲,(e)肘部連續(xù)彎曲,(f)行走期間膝蓋彎曲,(g)吞咽,(h)發(fā)聲和(i)恒定壓力下的傳感曲線。

圖5 可編輯電路及人機界面應(yīng)用。(a)基于水凝膠電路的降解和修復(fù)。(b)采集系統(tǒng)工作原理示意圖。(c)所開發(fā)的 EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的五個手指 EMG 信號。(d)暴露于堿下的EMG 采集系統(tǒng)捕獲得到的EMG 信號。(e)基于可降解水凝膠的可編程人機界面示意圖。(f)采集得到的不同手勢的信號。(g)快速可編輯人機界面工作展示。


該項研究成果獲得了廣東省重點領(lǐng)域研究發(fā)展計劃,湖南省自然科學(xué)基金,民用航空航天技術(shù)研究項目和中國空間技術(shù)研究院空間探索計劃和錢學(xué)森實驗室等實驗及研究項目支持。