彈性導體新材料，可賦予機器人人類皮膚功能

近日，一個日本科學家團隊開發出一種可用於印刷的新型彈性導體，該導體在拉長至原長的5倍後仍可保持高導電性。

此種新型材料被製成膏狀的油墨，可以在紡織品和橡膠表面列印成各式各樣的圖案，作為可拉伸導線為具有感測功能的可穿戴設備導電，也可為機器人的體表賦予類似人類皮膚的功能。

圖 | 用印刷的方法製成的彈性導體在拉力作用下仍可維持高導電性。即使彈性導體被拉長到原來長度（上方圖片）的 5 倍，通過其導電的發光二極體（LED）仍保持高亮發光

用於監測人們健康水平或心率，肌肉活動等身體狀況的可穿戴設備正在發展之中，一些產品也早已面向市場。除了目前已有生產加工領域之外，健康護理和零售等領域的機器人時代也即將來臨，這些發展都意味著彈性導體未來的應用將急劇增加。

「顯然，對可穿戴設備和機器人的需求在持續增長，」主導研究的東京大學工學系研究科Takao Someya（染谷隆夫）教授說道，「我們覺得能印刷的彈性導體對於實現這些產品的發展，滿足人們的需求尤為重要」。

為了達到高拉伸性和高導電性，研究者們使用4種材料混合製作彈性導體。目前用於印刷的導電膏體由微米級的銀（Ag）屑、氟橡膠、含氟表面活性劑（用於減小液體表面張力的材料）和用於溶解氟橡膠的有機溶劑組成。

目前的導電膏體性能比他們在2015年研製的彈性導體有了明顯的提高。

圖 | 來自東京大學Someya（染谷）團隊。將微米級的銀屑與其他材料混合得到複合膏體，用此膏體進行印刷就可以獲得銀微粒，而原本的膏體材料里並不包含銀微粒。這些排列緊密的銀微粒將分散在氟橡膠中的銀屑連接了起來

未拉伸前，彈性導體的電導率為4972西門子/厘米，按照一般標準是非常高的電導率。拉長至原長三倍後，電導率為1070西門子/厘米，幾乎為之前所開發的導體電導率（192西門子/厘米）的6倍。拉長至原長的5倍後，新導體仍然維持了高達935西門子/厘米的電導率，在同樣程度的拉伸中，這是最高的紀錄。

經過掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）的放大，研究者發現導體性能優異的原因是銀（Ag）微粒的自發形成，這些銀微粒僅有銀屑尺寸的千分之一，在複合導電膏體印刷並加熱之後均勻地散布在氟橡膠中的銀屑之間。

科學家們還發現通過調整某些變數，比如氟橡膠的分子量，可以控制銀微粒的數量和分布，而加入表面活性劑和加熱可以提高微粒形成的速度並影響微粒的尺寸。

圖 |來自東京大學Someya（染谷）團隊。這個手套的每一個指尖上壓力感測器都與一個 LED連通，LED的亮度隨著指尖的壓力變化而變化。這種手套可以用來感知難以檢測的壓力的大小

為了展現這種導體的可行性，科學家完全用印刷的方法製作了可拉伸的壓力感測器和溫度感測器，並與紡織品上的彈性導體連接起來，這些感測器可以感受微弱的力,並能測量接近於室溫和體溫的溫度，並且在被拉伸到原長度的3.5倍時仍給出精準的測量結果。

這樣的性能使它適用於貼身的運動服裝的手肘和膝蓋等部位，或是機械手變形較大的關節處。

這種新型材料經久耐用，並且適合高產量的印刷方式，如孔板印刷和絲網印刷等大面積印刷，因而易於安裝；其印刷過程中產生的銀微粒又為服飾、機器人和可變形電子器件等領域的許多應用提供了更為經濟的解決方案。

該團隊目前正在尋找比銀屑成本更低的材料，同時也著眼於其他的有機聚合物，如無氟橡膠，也在進一步探尋各種不同的材料組合和處理方法製作類似的高性能彈性材料。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！