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南科大劉吉團(tuán)隊(duì)《Nat. Commun.》：一體化3D打印柔性顯示器件與軟體機(jī)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(dòng)各大創(chuàng)新性領(lǐng)域的快速發(fā)展，比如可穿戴電子、顯示器和仿生機(jī)器人等。然而，傳統(tǒng)絲網(wǎng)印刷、納米轉(zhuǎn)印等技術(shù)在柔性電致發(fā)光器件開發(fā)上仍然面臨著步驟多、耗時(shí)久、成本高、一體化制造難等挑戰(zhàn)。近日，南方科技大學(xué)劉吉團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》上發(fā)表文章《Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots》，報(bào)道了一種基于墨水直寫（DIW）的3D打印技術(shù)，用于一體化設(shè)計(jì)和制造新型柔性電致發(fā)光器件和軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)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(dǎo)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(jī)器人、光傳感單元相結(jié)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(yīng)的人工偽裝自適應(yīng)系統(tǒng)，為下一代智能機(jī)器人提供了新的設(shè)計(jì)思路（圖1）。

圖1 3D打印柔性電致發(fā)光器件與自適應(yīng)軟機(jī)器人集成制造示意圖


  劉吉團(tuán)隊(duì)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(gòu)建了共價(jià)鍵交聯(lián)的強(qiáng)韌界面，確保打印器件在反復(fù)拉伸彎曲扭轉(zhuǎn)變形時(shí)仍能穩(wěn)定發(fā)光（圖2）。結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(shí)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


  該團(tuán)隊(duì)從自然界變色龍中獲得靈感，通過3D打印技術(shù)將柔性發(fā)光單元以及光傳感單元集成在軟體機(jī)器人上，構(gòu)建人工智能偽裝系統(tǒng)（圖3）。集成的光傳感器可實(shí)時(shí)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(zhuǎn)換為電信號控制軟體機(jī)器人不同部位的發(fā)光單元顯示，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走過程中自主感知環(huán)境變化并迅速響應(yīng)做出偽裝反饋。 


圖3 集成發(fā)光機(jī)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(jī)器人


  此外，通過設(shè)計(jì)多彩發(fā)光單元及相應(yīng)的邏輯回路，可實(shí)現(xiàn)彩色實(shí)時(shí)偽裝。為了實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)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(shí)時(shí)控制矩陣單一色彩顯示。如圖4所示，當(dāng)機(jī)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(diǎn)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(jī)器人自適應(yīng)多彩環(huán)境光變化


視頻2. 3D打印集成軟體機(jī)器人自適應(yīng)多彩環(huán)境光變化


  南方科技大學(xué)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(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省普通高校人體增強(qiáng)與康復(fù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委、南方科技大學(xué)增材制造創(chuàng)新中心等經(jīng)費(fèi)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(gè)人簡歷（pdf）等相關(guān)材料發(fā)送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標(biāo)題請注明“姓名+畢業(yè)學(xué)校+應(yīng)聘職位”，期待您的加盟！


  劉吉副教授及團(tuán)隊(duì)簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學(xué)獨(dú)立建組，任博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)檐洸牧系臉O限性能設(shè)計(jì)、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(yīng)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(xiàng)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(jìn)高層次人才青年項(xiàng)目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協(xié)會(huì)青年學(xué)者獎(jiǎng)(2017)、瑪麗居里學(xué)者(2015)等榮譽(yù)。

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

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