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南科大劉吉團隊《Nat. Commun.》：一體化3D打印柔性顯示器件與軟體機器人

2022-08-24 來源：高分子科技

柔性可拉伸發(fā)光器件正在推動各大創(chuàng)新性領域的快速發(fā)展，比如可穿戴電子、顯示器和仿生機器人等。然而，傳統(tǒng)絲網印刷、納米轉印等技術在柔性電致發(fā)光器件開發(fā)上仍然面臨著步驟多、耗時久、成本高、一體化制造難等挑戰(zhàn)。近日，南方科技大學劉吉團隊在《Nature Communications》上發(fā)表文章《Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots》，報道了一種基于墨水直寫（DIW）的3D打印技術，用于一體化設計和制造新型柔性電致發(fā)光器件和軟體機器人，實現柔性發(fā)光器件的全打印制造。

該工作開發(fā)了一系列可3D打印的墨水，分別用于離子導電層、電致發(fā)光層（多種發(fā)光）和介電絕緣層，通過一體化多材料3D打印可制得柔性可拉伸多彩電致發(fā)光器件；且各層之間的穩(wěn)鍵界面確保這類3D打印顯示器件在高拉伸大變形下，依舊具有穩(wěn)定的發(fā)光特性。此外，該工作將3D打印發(fā)光器件與軟體機器人、光傳感單元相結合，開發(fā)了一種可以感知外界環(huán)境光變化、且迅速做出響應的人工偽裝自適應系統(tǒng)，為下一代智能機器人提供了新的設計思路（圖1）。

圖1 3D打印柔性電致發(fā)光器件與自適應軟機器人集成制造示意圖

劉吉團隊首先開發(fā)了一系列針對DIW 3D打印柔性發(fā)光器件的墨水，通過3D打印構建了共價鍵交聯的強韌界面，確保打印器件在反復拉伸彎曲扭轉變形時仍能穩(wěn)定發(fā)光（圖2）。結合多材料3D打印技術，實現一體化快速打印定制化圖案“SUSTech”發(fā)光腕帶。這類簡單快捷的制備工藝可替代傳統(tǒng)方法，實現高效制備柔軟可拉伸定制化的電致發(fā)光器件。

圖2 多材料3D打印柔性可拉伸電致發(fā)光器件

該團隊從自然界變色龍中獲得靈感，通過3D打印技術將柔性發(fā)光單元以及光傳感單元集成在軟體機器人上，構建人工智能偽裝系統(tǒng)（圖3）。集成的光傳感器可實時接收外部環(huán)境光信號，通過邏輯電路信號處理將環(huán)境光信號轉換為電信號控制軟體機器人不同部位的發(fā)光單元顯示，從而實現機器人行走過程中自主感知環(huán)境變化并迅速響應做出偽裝反饋。

圖3 集成發(fā)光機器人偽裝及邏輯電路控制示意圖

視頻1. 3D打印集成自主感知偽裝軟體機器人

此外，通過設計多彩發(fā)光單元及相應的邏輯回路，可實現彩色實時偽裝。為了實現此設計，該團隊首先嘗試打印多彩像素矩陣，通過光傳感單元感知環(huán)境光色彩變化，可實時控制矩陣單一色彩顯示。如圖4所示，當機器人爬行到不同顏色環(huán)境光區(qū)域，發(fā)光單元被選擇性點亮以匹配環(huán)境光變化，這種能力與自然界的變色龍十分相似。

圖4 集成軟體機器人自適應多彩環(huán)境光變化

視頻2. 3D打印集成軟體機器人自適應多彩環(huán)境光變化

南方科技大學博士生張培為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。該研究得到深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復機器人重點實驗室、廣東省自然科學基金、深圳市科創(chuàng)委、南方科技大學增材制造創(chuàng)新中心等經費支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32126-1

招聘信息

劉吉課題組長期招聘研究助理教授、博士后和研究助理，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業(yè)學校+應聘職位”，期待您的加盟！

劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、仿生軟材料、界面粘合、軟材料3D打印以及功能軟材料在組織工程上的應用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發(fā)表文章60余篇。先后獲得國家級青年人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區(qū) “35歲以下科技創(chuàng)新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。

課題組更多信息請看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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（責任編輯：xu）

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