液态金属3D打印技术或将制造可穿戴设备和柔性机器人

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液态金属3D打印技术或将制造可穿戴设备和柔性机器人

（图示为采用了全新的喷墨打印技术生产制成液态金属合金“柔性机器人”和柔性电子电路的电子设备。弹性技术可以使一个新类别的柔性机器人和拉伸衣服成为可能，人们可能会穿到与计算机互动完成治疗目的。图片来源: Alex Bottiglio/Purdue Univ.）

新的研究显示了喷墨印刷技术可用于大规模生产由液态金属合金制成的电子电路，可用于制备“柔性机器人”和柔性电子器件。

弹性技术可以使一个新类型的柔韧机器人和可拉伸衣物变为可能，人们可能会穿这些衣服与计算机进行互动来完成治疗目的。然而，在柔性机器人在商业上可行之前，新的制造技术必须得到发展，普渡大学的机械工程系助理教授Rebecca Kramer说道。

“我们希望能够制造出可伸缩的电子设备，并将其用在一些柔性的机器上，比如需要挤过狭小空间的机器人，或不会受到人体活动影响的可穿戴技术。”Kramer说。 “用液态金属制成的导管可以完成拉伸变形而不会断裂。”

一种潜在的新型制造方法侧重于利用喷墨打印来制备液态合金器件。“现在这个制备过程可使我们在任何物体上打印柔性和可伸缩导体，包括在弹性材料和布料上。”Kramer说。

该方法的论文将发表在杂志《Advanced Materials》上。本文大致介绍了称为机械烧结镓铟纳米颗粒的方法，并介绍了该项目所涉及的研究。其作者是博士后研究员John William Boley，研究生Edward L. White 及Kramer。

可打印油墨的制备过程为，将液体金属分散在非金属使用溶剂中，并进行超声。这种纳米粒子填充墨水是与喷墨打印方式相兼容的。

“液态金属的本征形式是无法实现喷墨的 ，”Kramer说。“因此，我们要做的是创造足够小的液态金属纳米颗粒使其得以通过喷墨的喷嘴。在载体溶剂如乙醇中，超声处理液态金属，既制备出纳米颗粒，又使其分散在溶剂中。然后，我们可以在任何基体上打印这种墨水。乙醇会最终蒸发，在表面上留下的是液态金属纳米颗粒。

打印后，必须给纳米颗粒施加轻微的压力才能重新聚合，这使材料变得导电。这一步很必要是因为液体金属纳米颗粒最初涂覆有氧化镓，作为保护层来防止导电。“但是，这是一个脆弱的表皮，所以当你施加压力就会破坏其表皮，内部的物质会融合成一个均匀的薄膜，”Kramer说。 “我们可以通过冲压或在表面拖动这两种方式实现这一点，如硅片的尖锐边缘 。”

该方法使得根据设计，选择激活部分组件成为可能，这表明一个空白薄膜可能用于多种潜在应用的生产和制造。

“我们通过在特定区域施加应力，来选择性激活所需要打开的电子器件，”Kramer说道，他今年被美国国家科学基金会授予了早期职业发展奖，美国国家科学基金会十分支持如何最佳开发液态金属油墨的研究。

该过程可使得大批量薄膜生产成为可能。

未来的研究将探索被印在特定类型设备上的油墨和表面之间的相互作用。“例如，纳米颗粒如何在疏水性与亲水性的表面上自我定位？我们如何才能配置墨水，并利用其与表面的相互作用使颗粒自组装？”她说。