混合3D列印技術：低成本製造柔性可穿戴電子設備

導讀

最近，美國一支跨學科的科研團隊協力合作，開發出一種用於柔性電子的新型增材製造技術，也稱為「混合3D列印」，它將柔性導電油墨、柔性基質材料、剛性電子組件集成到單一、可拉伸的柔性電子設備中。

關鍵字

柔性、可穿戴技術、增材製造、感測器

背景

為了適應身體的自由活動，皮膚必須能夠彎曲和拉伸。同樣，任何穿在身上衣物，為了舒適度，在人體肌肉和關節處也必須具備柔性。正因為如此，所以像氨綸這樣的合成纖維織物在運動服中很流行。

可穿戴電子設備一般都用於追蹤和測量人體運動，所以它們也必須具備與皮膚相似的特性：柔性。

（圖片來源：哈佛大學維斯生物啟發工程研究所）

目前，將剛性電子元器件整合到模仿皮膚的基質材料中，已經被證明相當具有挑戰性。此類元器件無法像柔性材料一樣被拉伸，分散施加在其上的力量。因為不具備柔性，在柔性和剛性組件的連接處會產生應力集中，經常導致可穿戴設備失效。

創新

最近，美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering） 科學博士 Jennifer Lewis 的實驗室、佛大學約翰·保爾森工程和應用科學學院（SEAS）、美國空軍研究實驗室的 J. Daniel Berrigan 博士和 Michael Durstock 博士協力合作，設計出一種用於柔性電子的新型增材製造技術，也稱為「混合3D列印」，它將柔性導電油墨、柔性基質材料、剛性電子組件集成到單一、可拉伸的柔性電子設備中。

（圖片來源：哈佛大學維斯生物啟發工程研究所）

論文第一作者 Alex Valentine，在完成這項研究時，曾任維斯研究所的主管工程師，現在是波士頓大學醫學院的醫科學生。他說：

「我們通過這項技術，能夠將電子感測器直接列印到材料上，數字化地拾放（pick-and-place）電子元器件，列印導電的互連線，完整地製造出可剎那之間『讀出』感測器數據信號的電子電路。」

技術

柔性導電油墨由熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）製成，這種柔性塑料與銀片相混合。純TPU和銀-TPU油墨都可以用於印刷，從而分別製造出設備的底層柔性基質材料和導電電極。

Valentine 解釋說：

「因為基質和電極都含有TPU，當它們一起被逐層印刷後，在乾燥之前，會相互強烈粘連。當溶劑蒸發以後，兩種墨水都會凝固，形成一個即可彎曲又可拉伸的集成系統。」

（圖片來源：哈佛大學維斯生物啟發工程研究所）

印刷工藝使得導電油墨中的銀片沿著印刷方向對齊。因此，平面的、似片狀的銀片側面相互層疊，就像森林地面上的葉子一樣層疊在一起。這種結構排列提高了它們沿著印刷電極導電的能力。 SEAS Lewis 實驗室的博士後研究員、論文的合著者之一 Will Boley 博士稱：

「因為油墨和基質是3D列印的，所以我們完全控制在何處繪製導電特徵圖案，設計電路，創造出幾乎任何尺寸和形狀的柔性電子器件。」

柔性感測器由導電材料、可編程的控制器晶元、讀出設備組成。導電材料，在拉伸時其導電率會發生變化（檢測到運動時變低），控制器晶元用於處理數據，讀出設備則用於以人類可理解的方式進行數據通信。研究人員為了製造出這種感測器，將印刷柔性感測器與數字化的「拾放工藝」相結合。數字化的「拾放工藝」以一種特殊的編程方式，通過列印噴嘴（通常用於噴墨），形成適度真空，拾起電子元器件，將它們放置到基質表面。

（圖片來源：哈佛大學維斯生物啟發工程研究所）

因為這些表面貼裝的電子元器件（例如：LED、電阻、晶元）都是堅硬和剛性的，團隊利用TPU的粘接性能，在將每個元器件粘貼到下方的柔性TPU基質之前，都會給元器件塗上一點TPU油墨。一旦變干之後，TPU點可以固定這些剛性元器件，並通過整個基質分散應力，讓完全組裝的設備可拉伸達30%，同時保持功能完好。使用這種方法將12個LED粘貼到平面的TPU片上，設計出的這種設備能反覆彎曲成圓柱形狀，且不會減少LED燈的亮度，或者引起設備的機械性損傷。

為了簡單的概念驗證，團隊設計出兩種柔性電子設備演示這種增材製造技術的完整功能。一個是應變式感測器，它通過將TPU和銀-TPU-油墨電極，印刷到織物基質上，並且通過「拾放」的方法添加一個微控制器晶元和一個LED讀出器，製成一種「袖套」一般的可穿戴設備。它能夠通過持續點亮LED燈，指示出穿戴者手臂的彎曲程度。

另外一個設備是壓力感測器，它的形狀像人的左腳印，通過交替印刷導電的銀-TPU電極和絕緣的TPU層，製成位於柔性TPU基質之上的電容。TPU基質的形變圖案要通過手動的電氣讀出系統來處理，當一個人走到感測器上面的時候，會形成過一個可視化的腳部「熱點圖」。

價值

通過團隊對於材料和方法的持續優化，混合3D列印技術有望廣泛應用於製造各種電子設備。論文的通訊作者之一、維斯研究生的核心教員、SEAS生物啟發工程教授 Lewis 表示：

「我們不僅擴大了可穿戴電子材料的應用範圍，而且將我們的可編程的、多材料的印刷平台，拓展用於數字化『拾放』電子元器件。我們相信這是朝著製造可定製、低成本、機械性能強健的可穿戴電子設備邁出了重要一步。」

（圖片來源：哈佛大學維斯生物啟發工程研究所）

維斯創始董事、醫學博士、哲學博士、哈佛醫學院和波士頓兒童醫院血管生物學項目的血管生物學教授、哈佛SEAS生物工程教授 Don Ingber 表示：

「這種新方法是跨學科合作的一個典範，跨學科合作也是維斯研究所與其他許多的研究所區別之處。將3D列印技術的精準與電子元器件的數字化編程相結合，我們正逐步建設未來。」

參考資料

【1】https://wyss.harvard.edu/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid-3d-printing/

【2】http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703817/full

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