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南科大劉吉團隊《Nat. Commun.》：一體化3D打印柔性顯示器件與軟體機器人

2022-08-24 來源：高分子科技

柔性可拉伸發光器件正在推動各大創新性領域的快速發展，比如可穿戴電子、顯示器和仿生機器人等。然而，傳統絲網印刷、納米轉印等技術在柔性電致發光器件開發上仍然面臨著步驟多、耗時久、成本高、一體化制造難等挑戰。近日，南方科技大學劉吉團隊在《Nature Communications》上發表文章《Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots》，報道了一種基于墨水直寫（DIW）的3D打印技術，用于一體化設計和制造新型柔性電致發光器件和軟體機器人，實現柔性發光器件的全打印制造。

該工作開發了一系列可3D打印的墨水，分別用于離子導電層、電致發光層（多種發光）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光器件；且各層之間的穩鍵界面確保這類3D打印顯示器件在高拉伸大變形下，依舊具有穩定的發光特性。此外，該工作將3D打印發光器件與軟體機器人、光傳感單元相結合，開發了一種可以感知外界環境光變化、且迅速做出響應的人工偽裝自適應系統，為下一代智能機器人提供了新的設計思路（圖1）。

圖1 3D打印柔性電致發光器件與自適應軟機器人集成制造示意圖

劉吉團隊首先開發了一系列針對DIW 3D打印柔性發光器件的墨水，通過3D打印構建了共價鍵交聯的強韌界面，確保打印器件在反復拉伸彎曲扭轉變形時仍能穩定發光（圖2）。結合多材料3D打印技術，實現一體化快速打印定制化圖案“SUSTech”發光腕帶。這類簡單快捷的制備工藝可替代傳統方法，實現高效制備柔軟可拉伸定制化的電致發光器件。

圖2 多材料3D打印柔性可拉伸電致發光器件

該團隊從自然界變色龍中獲得靈感，通過3D打印技術將柔性發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（圖3）。集成的光傳感器可實時接收外部環境光信號，通過邏輯電路信號處理將環境光信號轉換為電信號控制軟體機器人不同部位的發光單元顯示，從而實現機器人行走過程中自主感知環境變化并迅速響應做出偽裝反饋。

圖3 集成發光機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器人

此外，通過設計多彩發光單元及相應的邏輯回路，可實現彩色實時偽裝。為了實現此設計，該團隊首先嘗試打印多彩像素矩陣，通過光傳感單元感知環境光色彩變化，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境光區域，發光單元被選擇性點亮以匹配環境光變化，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境光變化

視頻2. 3D打印集成軟體機器人自適應多彩環境光變化

南方科技大學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器人與智能系統重點實驗室、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、深圳市科創委、南方科技大學增材制造創新中心等經費支持。

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，有意者請將個人簡歷（pdf）等相關材料發送至liuj9@sustech.edu.cn郵件標題請注明“姓名+畢業學校+應聘職位”，期待您的加盟！

劉吉副教授及團隊簡介：劉吉博士于2019年9月加入南方科技大學獨立建組，任博士生導師。主要研究領域為軟材料的極限性能設計、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用等。近年來，在Science Advances，Nature Communications，PNAS，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊上發表文章60余篇。先后獲得國家級青年人才項目(2020)、《麻省理工科技評論》中國區 “35歲以下科技創新35人” (2020)、珠江人才引進高層次人才青年項目(2020)、深圳市海外高層次人才(2020)、日本高分子協會青年學者獎(2017)、瑪麗居里學者(2015)等榮譽。

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

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（責任編輯：xu）

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