微铸3D打印多超材料用于可编程多模态仿生电子学

2025-02-07 Fri
基于铸型微铸造3D打印的多材料仿生电子器件研究学术背景随着仿生电子技术的快速发展，模拟人类感知功能的电子皮肤（Electronic Skin, E-skin）和柔性传感器在机器人、医疗设备和人机交互等领域展现出广阔的应用前景。然而，现有的仿生电子器件在材料选择、结构复杂性和功能集成方面面临诸多挑战。特别是，如何在不破坏材料性能的前提下，实现多种高难度材料的自由组装和多功能集成，成为当前研究的瓶颈。
传统的制造方法，如电纺、光刻和转移印刷，往往难以同时满足材料多样性和复杂结构的需求。3D打印技术虽然为复杂结构的制造提供了可能，但在处理多种高难度材料时，仍然面临材料兼容性、结构分辨率不足等问题。为了解决这些问题，研究人员借鉴了古代失蜡铸造（Lost-wax Casting）的技术思路，提出了一种基于布尔逻辑引导的铸型微铸造3D立体光刻策略（Boolean-logic-guided Investment Micro-casting 3D Stereolithography, BMSL），旨在实现多种高难度材料的自由组装和多功能集成。
论文来源该研究由西安交通大学微纳技术研究中心的Chunjiang Wang、Xiaoming Chen等学者领衔，联合香港大学、西安交通大学电子科学与工程学院等多个研究团队共同完成。研究结果于2025年5月16日发表在《Device》期刊上，论文题目为《Investment Micro-casting 3D-Printed Multi-Metamaterial for Programmable Multimodal Biomimetic Electronics》，DOI为https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100658。
研究流程与实验方法研究流程模板设计与制备

研究首先通过3D打印技术制备了复杂的可溶解树脂模板（Pre-mold, PM），并使用熔蜡作为可移除的模具。通过电润湿（Electrowetting）技术，研究人员将蜡从模具中清洗干净，形成了空心的模具。
材料填充与固化

将预处理好的纳米复合材料注入空心模具中，经过强制灌注和固化后，形成了多种高难度材料的结构。通过这种方式，研究团队成功制备了超过20种难以成形的材料，包括电磁材料、高吸收性纳米陶瓷、3D锡合金和水凝胶等。
仿生电子皮肤的设计与测试

基于BMSL技术，研究人员开发了一种仿生压电电子皮肤（FMP），能够实时传输压力、旋转和刚性动作。通过梯度微单元阵列的设计，研究人员将FMP应用于机器人操作中，实现了多模态感知和自我识别的功能。
实验方法电润湿技术：通过施加空间电场，研究人员成功将溶液引入超深的微孔中，确保了模板完全溶解。
水力压力填充：通过在恒定水压下填充材料，研究人员确保了材料在微孔中的均匀分布，避免了局部空洞和结构不连续的问题。
压电性能测试：研究人员对制备的仿生电子皮肤进行了压电性能测试，验证了其在宽压力范围内的响应灵敏度和稳定性。
主要研究结果多材料自由组装

通过BMSL技术，研究人员成功实现了多种高难度材料的自由组装，包括电磁材料、纳米陶瓷、锡合金和水凝胶等。实验结果表明，该技术能够在保持材料性能的同时，实现复杂结构的精确制造。
仿生电子皮肤的性能

基于BMSL技术制备的仿生电子皮肤具有良好的压电响应性能，能够在8-240 kPa的宽压力范围内实现高灵敏度的感知。研究人员通过机器人操作实验，验证了该电子皮肤在抓取和硬度感知方面的优异性能。
多模态感知与自我识别

通过梯度微单元阵列的设计，仿生电子皮肤能够实现多模态感知和自我识别功能。实验结果表明，该电子皮肤能够实时反馈抓取物体的硬度和形状信息，提升了机器人在复杂操作中的精准度。
研究结论与意义该研究提出了一种基于布尔逻辑引导的铸型微铸造3D立体光刻策略（BMSL），成功实现了多种高难度材料的自由组装和多功能集成。通过该技术，研究人员成功制备了超过20种难以成形的材料，并开发了一种仿生压电电子皮肤，具有良好的压电响应性能和多模态感知能力。
该研究的科学价值在于为多种高难度材料的制造提供了一种新的技术路径，解决了传统制造方法在材料兼容性和复杂结构制造方面的难题。在应用层面，该技术为仿生电子皮肤和柔性传感器的开发提供了新的思路，有望在机器人、医疗设备和人机交互等领域得到广泛应用。
研究亮点多材料自由组装：通过BMSL技术，研究人员成功实现了多种高难度材料的自由组装，突破了传统制造方法的限制。
仿生电子皮肤的开发：基于BMSL技术制备的仿生电子皮肤具有良好的压电响应性能和多模态感知能力，为机器人操作提供了新的技术手段。
创新制造方法：BMSL技术借鉴了古代失蜡铸造的思路，结合现代3D打印技术，提出了一种创新的制造方法，具有广泛的应用前景。
该研究为仿生电子技术领域提供了重要的技术突破，未来的研究可以进一步探索该技术在更多材料和应用场景中的潜力。