ACS Applied Materials&Interface, 3D打印液态金属基柔性电子

57 Three-Dimensional Printed Wearable Sensors with Liquid Metals for Detecting t.pdf

摘要：液态金属是指常温下呈液态的金属材料，典型液态金属是镓铟合金，终结者电影中的T-1000就是想象的液态金属机器人。由于液态金属导电性强、流动性好，基于液态金属的柔性电子获得了众多研究的关注。然而对成型而言液态金属的两大缺点束缚了其应用：（1）高表面张力导致其制造时易成球，这一特性也使得液态金属无法直接进行3D打印；（2）易氧化导致易在表面成膜，影响其传感特性。目前主流的柔性电子制造方法都无法很好的解决这两个问题，课题组探索了一个全新的思路，液态金属/柔性材料的共生打印。本研究受到国家优秀青年基金、浙江省杰出青年基金项目资助。

当前主流的液态金属基柔性电子制造方法为微流道注入法与印刷法，两种方法各有优点，又各有局限，但总的来说都无法实现柔性传感器的直接制造。现有一些论文也报道了液态金属的打印工艺，但其思路主要是利用了液态金属易氧化特性，通过打印表面的氧化膜来固定液态金属。

浙江大学浙江省三维打印工艺与装备重点实验室研究人员（本团队），经过两年多的探索，提出了全新的研究思路：液态金属/柔性材料的共生打印，采用同轴喷头的外喷头挤出柔性硅胶材料，内喷头挤出液态金属。其打印机理是通过外喷头高粘性的硅胶与内喷头的液态金属时刻接触，抑制液态金属的挤出时的成球效应从而成功实现液态金属3D打印，同时柔性硅胶材料还起到隔绝空气，避免液态金属性能退化及作为液态金属传感器的柔性封装材料。

基于该方法可实现并用该同轴纤维构造复杂的二维/三维柔性电路。在此工艺的基础上，为了充分展示本共生打印的前景，我们设计提出了一种多功能柔性电感传感器，可实现以测量拉伸、弯曲等多种变形形式，具有出色的综合性能，通过长时间、大次数、高温度范围的实验证明了传感器出色的可靠性和稳定性。最后，使用该传感器可高精度的测量手指弯曲以及内窥镜末端执行器弯曲度，证明了该传感器可以应用于可穿戴设备和蛇形机器人位姿检测等领域。

图1.基于液态金属的柔性电子3D打印原理

图2.打印的电感传感器可准确捕捉手指的状态

图3.打印的柔性电子器件可准确检测腹腔镜上末端执行器各种位姿

图4. 打印的各种三维柔性电子（柔性导线、柔性三维电路、负泊松比电路等） 

目前该工作已在ACS旗下的ACS Applied Materials&Interface期刊发表，题为“Three-Dimensional Printed Wearable Sensors with Liquid Metals for Detecting the Pose of Snakelike Soft Robots”，DOI: DOI: 10.1021/acsami.8b06903