南科大-劉吉團隊：用于柔性電致發(fā)光器件和軟體機器人的3D打印技術

來源于南方科技大學官網(wǎng)

一、研究背景：
柔性可拉伸發(fā)光器件正在各大創(chuàng)新性領域快速發(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(wǎng)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)。

二、文章簡介：

近日，南方科技大學機械與能源工程系副教授劉吉團隊報道了一種基于墨水直寫（DIW）的3D打印技術。該技術能夠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(xiàn)柔性發(fā)光器件的全打印制造。相關研究成果發(fā)表在Nature Communications上。南方科技大學機械與能源工程系博士生張培為該論文第一作者，劉吉副教授為通訊作者。

圖1. 示意圖。

三、研究內(nèi)容：

研究人員首先開發(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(lián)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，研究人員實現(xiàn)了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(xiàn)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。

研究人員從自然界變色龍身上獲得靈感，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(xiàn)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。

此外，研究人員通過設計多彩發(fā)光單元及相應的邏輯回路，可實現(xiàn)彩色實時偽裝。研究人員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。

四、結論與展望：

綜上所述，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5）。

圖5. 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。

五、致謝：

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(jīng)費支持。


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