近年來，柔性電子在可穿戴設(shè)備,、電子皮膚等眾多應(yīng)用中扮演著越來越重要的角色,，以水凝膠為基質(zhì)設(shè)計的柔性電子由于其良好的導(dǎo)電性、柔性以及生物相容性等特點受到廣泛的關(guān)注,，在柔性傳感器,、柔性能源器件及人機接口等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（PμSL）可快速制造并成型任意形狀和定制設(shè)計的結(jié)構(gòu),，為以水凝膠基質(zhì)設(shè)計的柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡便性,。結(jié)合3D打印技術(shù)，并對水凝膠進行諸如超抗凍,、超拉伸,、導(dǎo)電等性能設(shè)計，在一定程度上拓寬了水凝膠的功能和應(yīng)用范圍,。
近日,，湖南大學(xué)王兆龍助理教授、段輝高教授與上海交通大學(xué)鄭平院士等人合作,，該團隊基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印機nanoArch S/P140,，開發(fā)了一種能夠耐受-115℃*導(dǎo)電能力的水凝膠體系，實現(xiàn)了極低溫條件下的可穿戴設(shè)備運動信號檢測及腦電信號高精度采集,。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring"為題發(fā)表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上,。其中，王兆龍助理教授及碩士研究生陳雷為共同一作,。
基于面投影微立體光刻技術(shù)制造水凝膠結(jié)構(gòu),，首先，作者通過計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件生成的3D模型按照特定層厚切片為一系列平行的二維數(shù)字圖像,，然后,，這些切出來的2D圖案被傳輸?shù)紻MD芯片上，DMD芯片通過2D圖案的形狀調(diào)節(jié)其上照射的紫外光（LED，405nm）,。具有相應(yīng)定義的2D圖案的成形紫外光通過一個縮小透鏡,，該透鏡將2D圖像投影到具有縮小特征尺寸的水凝膠前體溶液上。圖案化的紫外光照射將會使水凝膠前體溶液在相應(yīng)區(qū)域發(fā)生局部聚合反應(yīng)并成型附著在打印平臺上,。再控制降低打印平臺,，紫外光投影照射繼續(xù)打印下一層。這個過程反復(fù)進行,，直到整個水凝膠結(jié)構(gòu)被制造出來（圖1）,。研究者引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑，將不溶于水的TPO-L均勻分散在水中,，提高光引發(fā)劑引發(fā)效率，結(jié)合光固化3D打印nanoArchS/P140設(shè)備的離型膜的快速離型,，大大提高水凝膠的光固化速度,；利用納米羥基磷灰石與水凝膠高分子鏈之間形成強烈的物理作用，從而提高3D打印水凝膠的拉伸性（2500%）,，并進一步提高其機械強度,；三元醇和高濃度離子鹽的協(xié)同作用賦予了水凝膠極.佳的導(dǎo)電性和抗凍性（-115℃左右），3D打印水凝膠在極低溫情況下仍然能夠完成拉伸,、彎曲和扭轉(zhuǎn)的動作,，并具有一定的低溫導(dǎo)電性（圖2）。
圖1 基于面投影微立體光刻技術(shù)的水凝膠加工過程
圖2 水凝膠的力學(xué),、電學(xué)和抗凍性能設(shè)計
優(yōu)異的機械性能和良好的導(dǎo)電性能使其3D打印水凝膠能夠作為應(yīng)變傳感器用于識別包括手指彎曲,、發(fā)聲及吞咽等人體運動信號（圖3）；水凝膠還可作為柔性電極檢測和采集諸如人睜,、閉眼時的腦/眼電信號（EEG/ EOG）,，當(dāng)志愿者在閉上眼睛并放松時，腦電信號顯示出明顯的α波（8~13Hz）,，當(dāng)志愿者睜開眼睛并積極思考時,，腦電α波即刻消失并逐漸向β波（14~30Hz）方向移動。與當(dāng)前最.精.確的傳統(tǒng)腦電信號采集裝置對比實驗表明,，新體系水凝膠可以準(zhǔn)確采集大腦中的腦電信號,，反映大腦活動的整體信息，顯示出在人機交互,，特別是低溫領(lǐng)域的腦機接口等方面的應(yīng)用潛力（圖4）,。
圖3 柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用
圖4 水凝膠柔性電極腦機接口應(yīng)用
總而言之，本研究基于面投影微立體光刻技術(shù),，引入親水性的三元醇作為光引發(fā)劑TPO-L的良性溶劑,，利用納米羥基磷灰石提高拉伸性，并結(jié)合高濃度的離子鹽和三元醇作為導(dǎo)電介質(zhì)和抗凍劑，使得所開發(fā)的水凝膠體系具有優(yōu)異機械,、導(dǎo)電和抗凍性能,，并且可作為柔性應(yīng)變傳感器實現(xiàn)對人體運動和微弱信號的實時監(jiān)控，同時可進一步用作腦機接口,，準(zhǔn)確采集大腦中的腦電信號,，包括α、β波以反映大腦活動的整體信息,。本文提出的水凝膠在電子皮膚,、人機交互甚至.極低溫情況下的可穿戴設(shè)備中具有良好的應(yīng)用前景。未來,，微尺度3D打印技術(shù)的加入使得復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)多功能柔性電子和復(fù)雜腦機接口的快速制造成為可能,。
原文鏈接：
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1426078/
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