在这个智能手机和平板电脑泛滥的年代,触控表面无处不在。但是,他们非常脆弱,正如我们经常见到的破碎的手机屏幕那样。

覆盖在机器人表面的“皮肤”既要非常柔韧,批量生产时又必须具备成本效益。MIT计算机科学与人工智能实验室的研究院认为,3D打印或许是不错的解决方案。

为了证明将传感器和处理电路结合在一起的柔性可打印电子器件的可行性,研究人员设计并制造了一种装置,通过改变表面光斑的颜色来响应机械应力。

他们的灵感来自于黄金龟甲虫,该甲壳虫来自北美,拥有独特的伪装形式。当受到外界威胁的时候,甲壳虫壳上金色的色彩会变成半透明的红棕色,这从而会起到隐蔽和自我保护的作用。受到变色甲壳虫的启发,研究员们试图构建一种以3D打印的柔性膜为基础的机器人皮肤,同时,他们将各类传感器布置在机器人的皮肤表面,这样这个机器人皮肤就具备光学变化的功能。研究员们还根据变换的颜色来分类做出相应机械工作的材料,让机器人拥有更多样化的功能。

“在自然界中,传感器网络和互连网络称为感觉通路,”MIT电子工程与计算机科学(EECS)研究生、项目负责人Subramanian Sundaram表示,“我们想看看是否可以在3D打印物体内复制这样的感觉通路。所以我们找到了自认为最简单的生物。” 研究人员在最新一期的《先进材料技术》杂志上发表了他们的新成果。

20170328_05_sensor02

自下而上

印刷电路一直是近几十年来的主要研究领域,Sundaram表示,印刷基板本身的能力大大提高了该技术可以生产的设备的范围。

首先,衬底的选择限制了可以沉积在其表面的材料的类型。由于印刷基板可以由许多材料组成,它错综复杂但又相互联系,扩大了可印刷电子产品可使用的功能材料的范围。

印刷基板也使得这样的设备成为可能,尽管印刷在平面上,但是可以折叠成复杂的三围形状。可打印机器人遇热时自组装是CSAIL分布式机器人实验室正在研究的一个课题。

“我们相信,只有能打印印刷基板时,才能开始考虑打印更复杂的形状,”Sundaram说。

选择信号

MIT研究人员的新设备是T形的,由一个四方形和一个长条形组成。长条形的是弹性塑料,上面有银条;在试验中,电极连接长条形的两端。T的底部由更硬的塑料制成。它包括两个印刷晶体管,研究人员将其称为“像素”,这是一个半导体聚合物的一圈,当十字条伸展时,其颜色会发生变化,从而改变了银条的电阻。

事实上,晶体管和像素由相同的材料制成; 当交叉杆伸展时,晶体管也会稍微改变颜色。然而,像素中的效果更显著,因为晶体管放大了来自交叉开关的电信号。Sundaram表示,演示工作晶体管是必不可少的,因为大型密集传感器阵列需要一定的板载信号处理能力。

“您不想将所有传感器连接到主计算机,因为数据量太大,”他说,“你希望能够进行智能的连接,并只选择相关的信号。”

研究人员使用MultiFab来构建设备,这是由Matusik集团开发的定制三维打印机。MultiFab已经包括两个不同的“打印头”,一个用于挤出热材料,一个用于冷却,另外还有一个紫外发光二极管阵列。使用紫外线辐射来“固化”由打印头沉积的流体产生该装置的基底。

流体边界

晶体管由半导体通道构成,其上设有“栅极”,金属线,当被充电时产生在其导电和非导电状态之间切换半导体的电场。在标准晶体管中,在栅极和半导体之间存在绝缘体,以防止栅极电流泄漏到半导体沟道中。 MIT研究人员设备中的晶体管没有分离栅极和半导体,取而代之的是一层含钾盐的水。对栅极充电将钾离子驱入半导体,改变其导电性。

盐水层降低了设备的工作电压,因此可以用普通的1.5伏电池供电。但它确实会使设备更不耐用。“我想我们可以让它稳定工作两个月,也许,”Sundaram说。 “一个选择是用介于固体和液体之间的东西代替液体,如水凝胶。 但这是我们以后会做工作的。这只是最初的版本。“

“我对系统的概念和实现印象深刻,”德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所有机电子研究小组负责人Hagen Klauk说,“通过将所有材料(包括固体和液体)沉积在3D打印中,整个光电子系统(包括基板和所有部件)的印刷方式肯定是新颖、有趣而有用的,功能系统的演示证实该方法也是可行的。在简易的制造环境中,没有可用的专用衬底材料时,这种即时制造基底的方法是非常有用的。”

未来的路还很长

Sundaram表示,他们目前只是借鉴了变色甲壳虫的简单防御性特征,作为“变色”概念的证明。同时,研究人员将光学变换性能构建成柔性的印刷基板。Sundaram说,“我们想做这个传感器处理驱动,只是传感器驱动是3D打印中的最大的问题之一,光学驱动实际上更容易一点。”

据悉,研究团队采用MultiFab 3D 打印机完成材料的制作,其中借助了铜和陶瓷加热器来帮助沉积半导体塑料:塑料悬浮在喷涂在设备表面上的流体中,加热器使流体蒸发,留下一层仅 200 纳米厚的塑料。现阶段,他们已经设法将甲虫的光学变化功能复制到了单一的 3D 打印电路板上。而除了机器人外,该技术同样能够应用于例如飞机、桥梁等设施。

在讨论该生物仿真技术的生物灵感时,研究员Sundaram说话非常谦虚,他告诉人们,团队仅仅是从大自然中吸取了一部分灵感,未来团队的路还是很长。同时,研究员Sundaram还告诉TechCrunch“我们明白我们还远远落后于大自然,真正完全复制大自然中的生物物种几乎是一件不可能完成的任务。”

他说,“就像是看月亮抑或者是试图爬上树顶一样,即使我们从变色甲壳虫处得到了灵感,但其实真正要在机器人皮肤上实现这个功能还有好长的一段路要走。‘变色皮肤’的功能是很酷炫的,实现所有的功能真的很困难。”