南科大刘吉团队《Nat. Commun.》：一体化3D打印柔性显示器件与软体机器人

2022-08-24 来源：高分子科技

柔性可拉伸发光器件正在推动各大创新性领域的快速发展，比如可穿戴电子、显示器和仿生机器人等。然而，传统丝网印刷、纳米转印等技术在柔性电致发光器件开发上仍然面临着步骤多、耗时久、成本高、一体化制造难等挑战。近日，南方科技大学刘吉团队在《Nature Communications》上发表文章《Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots》，报道了一种基于墨水直写（DIW）的3D打印技术，用于一体化设计和制造新型柔性电致发光器件和软体机器人，实现柔性发光器件的全打印制造。

该工作开发了一系列可3D打印的墨水，分别用于离子导电层、电致发光层（多种发光）和介电绝缘层，通过一体化多材料3D打印可制得柔性可拉伸多彩电致发光器件；且各层之间的稳键界面确保这类3D打印显示器件在高拉伸大变形下，依旧具有稳定的发光特性。此外，该工作将3D打印发光器件与软体机器人、光传感单元相结合，开发了一种可以感知外界环境光变化、且迅速做出响应的人工伪装自适应系统，为下一代智能机器人提供了新的设计思路（图1）。

图1 3D打印柔性电致发光器件与自适应软机器人集成制造示意图

刘吉团队首先开发了一系列针对DIW 3D打印柔性发光器件的墨水，通过3D打印构建了共价键交联的强韧界面，确保打印器件在反复拉伸弯曲扭转变形时仍能稳定发光（图2）。结合多材料3D打印技术，实现一体化快速打印定制化图案“SUSTech”发光腕带。这类简单快捷的制备工艺可替代传统方法，实现高效制备柔软可拉伸定制化的电致发光器件。

图2 多材料3D打印柔性可拉伸电致发光器件

该团队从自然界变色龙中获得灵感，通过3D打印技术将柔性发光单元以及光传感单元集成在软体机器人上，构建人工智能伪装系统（图3）。集成的光传感器可实时接收外部环境光信号，通过逻辑电路信号处理将环境光信号转换为电信号控制软体机器人不同部位的发光单元显示，从而实现机器人行走过程中自主感知环境变化并迅速响应做出伪装反馈。

图3 集成发光机器人伪装及逻辑电路控制示意图

视频1. 3D打印集成自主感知伪装软体机器人

此外，通过设计多彩发光单元及相应的逻辑回路，可实现彩色实时伪装。为了实现此设计，该团队首先尝试打印多彩像素矩阵，通过光传感单元感知环境光色彩变化，可实时控制矩阵单一色彩显示。如图4所示，当机器人爬行到不同颜色环境光区域，发光单元被选择性点亮以匹配环境光变化，这种能力与自然界的变色龙十分相似。

图4 集成软体机器人自适应多彩环境光变化

视频2. 3D打印集成软体机器人自适应多彩环境光变化

南方科技大学博士生张培为该论文第一作者，刘吉副教授为通讯作者。该研究得到深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室、广东省普通高校人体增强与康复机器人重点实验室、广东省自然科学基金、深圳市科创委、南方科技大学增材制造创新中心等经费支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32126-1

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刘吉副教授及团队简介：刘吉博士于2019年9月加入南方科技大学独立建组，任博士生导师。主要研究领域为软材料的极限性能设计、仿生软材料、界面粘合、软材料3D打印以及功能软材料在组织工程上的应用等。近年来，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上发表文章60余篇。先后获得国家级青年人才项目(2020)、《麻省理工科技评论》中国区 “35岁以下科技创新35人” (2020)、珠江人才引进高层次人才青年项目(2020)、深圳市海外高层次人才(2020)、日本高分子协会青年学者奖(2017)、玛丽居里学者(2015)等荣誉。

课题组更多信息请看：http://faculty.sustech.edu.cn/liuj9/

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（责任编辑：xu）

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