可(ke)編程仿生超(chao)材(cai)料電(dian)子的熔模微(wei)鑄(zhu)造3D打(da)印方法

超(chao)材(cai)料通(tong)過(guo)各結(jie)構(gou)單元的特異(yi)性組(zu)合，為(wei)仿(fang)生電子(zi)器(qi)件的多模態(tai)集(ji)成與解(jie)耦提供(gong)實現(xian)路(lu)徑(jing)。然(ran)而(er)，制(zhi)造(zao)工(gong)藝和功能材(cai)料的不(bu)匹配(pei)嚴重(zhong)制(zhi)約(yue)電(dian)子(zi)器(qi)件的材料(liao)與制(zhi)造(zao)手(shou)段的的選擇(ze)範圍(wei)。早(zao)在(zai)兩(liang)千(qian)年(nian)前的春(chun)秋(qiu)時期(qi)，失(shi)蠟(la)法(fa)便(bian)用(yong)於鑄造(zao)結(jie)構(gou)復雜(za)、配(pei)比多樣的青銅(tong)器(qi)。若能通(tong)過(guo)微(wei)尺(chi)度3D打(da)印制(zhi)備(bei)可(ke)溶(rong)化“蠟(la)模(mo)"，進(jin)而獲取(qu)空(kong)心(xin)“模(mo)骨"後註(zhu)入(ru)功能材(cai)料，則可(ke)制(zhi)造(zao)結(jie)構(gou)復雜(za)、種類(lei)多樣的超(chao)材(cai)料電(dian)子器(qi)件，對多類(lei)型、高性能、難成型器(qi)件的制(zhi)造(zao)具有重(zhong)要意義(yi)。

基於此(ci)，來自西安交(jiao)通(tong)大(da)學(xue)的陳(chen)小(xiao)明、邵(shao)金友(you)教授(shou)團隊(dui)在(zai)《Device》上發(fa)表壹篇(pian)題為(wei)“ Investment micro-casting 3D-printed multi-metamaterial for programmable multimodal biomimetic electronics"的論文(wen)。

本(ben)文(wen)提出了(le)壹種(zhong)基(ji)於(yu)布爾邏輯的熔模微(wei)鑄(zhu)造μ-3D打(da)印（BμSL）技(ji)術，實現(xian)了(le)多種不(bu)同(tong)功能材(cai)料的復雜(za)高精結(jie)構(gou)成型。繼而模(mo)仿(fang)觸(chu)覺強弱感(gan)知，制(zhi)造(zao)類(lei)神經(jing)元超(chao)材(cai)料器(qi)件，增(zeng)強了(le)機械手(shou)抓取(qu)的自主執行(xing)與多模態(tai)識(shi)別(bie)能力(li)。這項(xiang)研究為(wei)可(ke)編程超(chao)材(cai)料電(dian)子的設計(ji)與制(zhi)造(zao)提供(gong)壹種(zhong)通(tong)用(yong)策略。

亮(liang)點(dian)

簡(jian)介(jie)

超(chao)材(cai)料電(dian)子皮(pi)膚(fu)是通(tong)過(guo)模仿皮(pi)膚(fu)多種功能實現(xian)類(lei)觸(chu)覺感(gan)知的復合器(qi)件，有助(zhu)機器(qi)人實現(xian)靈(ling)巧(qiao)操(cao)作(zuo)和精(jing)準識(shi)別(bie)（如(ru)：柔(rou)軟(ruan)度和紋理）。通(tong)過(guo)3D打(da)印優(you)異功能導向的人工(gong)結(jie)構(gou)，器(qi)件可(ke)實現(xian)多模態(tai)感(gan)知集(ji)成與解(jie)耦。但在(zai)制(zhi)造(zao)上(shang)也由(you)於(yu)超(chao)材(cai)料的功能集(ji)成度高而面(mian)臨如下(xia)挑戰(zhan)：

為(wei)了(le)盡可(ke)能降低打(da)印工(gong)藝對器(qi)件性能的削(xue)弱，解(jie)決超(chao)材(cai)料器(qi)件“材(cai)料(liao)-結(jie)構(gou)-工(gong)藝"不(bu)匹配(pei)的問(wen)題，作(zuo)者(zhe)受(shou)古(gu)代(dai)青銅(tong)器(qi)失蠟(la)法(fa)鑄(zhu)造(zao)工(gong)藝啟發，提出壹種(zhong)基(ji)於(yu)布爾邏輯的熔模微(wei)鑄(zhu)造3D打(da)印方法（BμSL），通(tong)過(guo)制(zhi)備(bei)可(ke)去(qu)除的3D微(wei)鑄(zhu)造模具，實現(xian)結(jie)構(gou)復雜(za)、材料(liao)多樣的電子(zi)器(qi)件制(zhi)造(zao)。

1.BμSL制(zhi)造(zao)方法及(ji)特點(dian)

如(ru)圖1所(suo)示為熔模微(wei)鑄(zhu)造3D打(da)印方法的示意圖，並展(zhan)示了(le)多種難成型功能材(cai)料的超(chao)材(cai)料結(jie)構(gou)，包括高固(gu)相含(han)量的鐵基(ji)電磁(ci)材料和鈦酸(suan)鋇基(ji)壓(ya)電功能材(cai)料，以(yi)及(ji)Ga-In金屬和(he)海藻(zao)酸(suan)鈉水凝膠(jiao)。該方法還(hai)可(ke)制(zhi)造(zao)多材料、多類(lei)型復雜(za)微(wei)結(jie)構(gou)，包括極小(xiao)曲(qu)面(mian)晶(jing)格(ge)、八角桁(heng)架(jia)等(deng)。多種功能材(cai)料與復雜(za)三維(wei)微(wei)結(jie)構(gou)的隨機組(zu)合，極(ji)大(da)拓(tuo)寬(kuan)了(le)可(ke)制(zhi)造(zao)器(qi)件的範圍(wei)。進(jin)壹步(bu)，作(zuo)者(zhe)提出壹種(zhong)具有梯(ti)度化結(jie)構(gou)的三維(wei)壓電(dian)超(chao)材(cai)料電(dian)子，通(tong)過(guo)模仿皮(pi)膚(fu)神(shen)經(jing)元的分布(bu)特點(dian)，突(tu)出“材料-結(jie)構(gou)-功能"壹體(ti)化的制(zhi)造(zao)優(you)勢(shi)。

2.可(ke)溶(rong)性光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)合成及微(wei)尺(chi)度打(da)印

首(shou)先，作(zuo)者(zhe)研究了(le)BμSL方法中(zhong)的關鍵工(gong)藝步驟（圖2）：可(ke)溶(rong)性光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)的合成及微(wei)尺(chi)度結(jie)構(gou)打(da)印。通(tong)過(guo)研究並調控樹(shu)脂(zhi)組(zu)成及曝(pu)光(guang)成型規(gui)律(lv)，實現(xian)常(chang)溫常(chang)壓下(xia)無明顯(xian)溶脹(zhang)的光固(gu)化“蠟(la)模(mo)"制(zhi)造(zao)，最小(xiao)成形尺(chi)寸可(ke)達(da)10 μm。與LIGA刻(ke)蝕(shi)及其(qi)他可(ke)溶(rong)可(ke)打(da)印的高分子(zi)體(ti)系對比，該樹(shu)脂體(ti)系可(ke)裂解(jie)成鹽(yan)並溶(rong)於(yu)水，無固(gu)體(ti)殘余(yu)，在(zai)裂解(jie)率和(he)最小(xiao)成型尺(chi)寸上具有明顯(xian)的優勢(shi)。其中(zhong)，該研究利用摩(mo)方精密nanoArch® P140（精度：10 μm）3D打(da)印系統制(zhi)備(bei)了(le)壹種(zhong)具有復雜(za)結(jie)構(gou)的可(ke)溶(rong)光敏樹脂(zhi)3D打(da)印預(yu)模（PM）。

3.跨(kua)尺(chi)度功能超(chao)材(cai)料

作(zuo)者(zhe)進(jin)壹步(bu)對超(chao)疏水可(ke)穩定去除的“模骨(gu)"制(zhi)造(zao)進(jin)行(xing)了(le)研究（圖3）。實現(xian)“蠟(la)模(mo)"與“模(mo)骨(gu)"的結(jie)構(gou)轉化是BμSL方法中(zhong)的難點(dian)。作(zuo)者(zhe)提出基於電潤(run)濕(shi)效應(ying)的微(wei)流道異(yi)質(zhi)材料置換方法，得到(dao)了(le)跨尺(chi)度、多種類(lei)（PVDF/CNT，PVA/BNNS）的壓電(dian)超(chao)材(cai)料，包(bao)括具有微(wei)觀(guan)三維(wei)結(jie)構(gou)的橡膠(jiao)基(ji)超(chao)材(cai)料和(he)具有微(wei)-納(na)二級(ji)結(jie)構(gou)的氣凝膠(jiao)超(chao)材(cai)料。與同(tong)類(lei)型制(zhi)造(zao)方法對比，BμSL在(zai)成形結(jie)構(gou)長(chang)徑(jing)比（>20）、材料(liao)選(xuan)擇種類(lei)（>20）和成型尺(chi)寸（50μm）等(deng)方面(mian)，均(jun)優(you)於(yu)其(qi)它方法。

4.仿生超(chao)材(cai)料壓(ya)電器(qi)件及(ji)可(ke)編程性能設(she)計

進(jin)壹步(bu)，如(ru)圖4所(suo)示，為說(shuo)明BμSL方法在(zai)結(jie)構(gou)-功能壹體(ti)化器(qi)件上(shang)的應(ying)用，作(zuo)者(zhe)設計並制(zhi)造(zao)了(le)具有梯(ti)度化結(jie)構(gou)的柔(rou)性壓(ya)電(dian)超(chao)材(cai)料（FMG）。通(tong)過(guo)模擬計(ji)算和(he)實驗(yan)驗(yan)證，獲得多組(zu)性能可(ke)調、結(jie)構(gou)可(ke)變的壓電(dian)單體(ti)器(qi)件（FMPx）。結(jie)果表明FMPx的小(xiao)載荷響應(ying)較無(wu)結(jie)構(gou)化器(qi)件提升近20倍，進(jin)而將其梯(ti)度化組(zu)裝，可(ke)得到(dao)兼具小(xiao)載荷靈(ling)敏(min)響應(ying)性和(he)大(da)載荷穩定服役性的梯度化結(jie)構(gou)超(chao)材(cai)料器(qi)件FMG。這(zhe)說(shuo)明BμSL方法可(ke)提高柔(rou)性壓(ya)電(dian)超(chao)材(cai)料電(dian)子的響應(ying)可(ke)調控能力(li)，拓(tuo)展(zhan)了(le)適(shi)用範圍(wei)。

5.多模態(tai)感(gan)知系統及(ji)自主交互

作(zuo)者(zhe)建立了(le)壓電超(chao)材(cai)料器(qi)件與機械手(shou)自(zi)主控制(zhi)的交互系統（圖5）。通(tong)過(guo)將多個FMG-T/J器(qi)件分(fen)別(bie)安裝到機械手(shou)的尖(jian)部和(he)關節(jie)處，測試並獲取(qu)仿(fang)生多模態(tai)陣(zhen)列(lie)感(gan)知系統（BASS）對軟(ruan)硬感(gan)知的斜率特征(zheng)（kx）和(he)抓取(qu)狀(zhuang)態(tai)（U(θ)）的響應(ying)特征(zheng)。研究發(fa)現(xian)，該系統增(zeng)強了(le)機械手(shou)對易碎(sui)、易變形等(deng)15種物(wu)體(ti)的感(gan)知能力(li)。作(zuo)者(zhe)通(tong)過(guo)將感(gan)知數據(ju)結(jie)合(he)強化學(xue)習(xi)模型訓練(lian)，顯(xian)著提高了(le)硬度識(shi)別(bie)精(jing)度。BASS賦予機械手(shou)對不(bu)同(tong)軟(ruan)硬物(wu)體(ti)（0.72-13.15 kg/cm2）的動態(tai)抓取(qu)反饋和(he)多模態(tai)（接觸(chu)、彎曲(qu)、摩(mo)擦(ca)、剛度）感(gan)知能力(li)。

總結(jie)

綜上，本(ben)文(wen)研究結(jie)果為(wei)仿(fang)生超(chao)材(cai)料電(dian)子的“材料(liao)-結(jie)構(gou)-功能"壹體(ti)化制(zhi)造(zao)及(ji)性能調控提供(gong)了(le)實現(xian)方案。BμSL方法為(wei)仿(fang)生超(chao)材(cai)料電(dian)子性能設(she)計帶來新(xin)的實現(xian)思(si)路(lu)，降低了(le)多模態(tai)器(qi)件的感(gan)知集(ji)成難度。該工(gong)作(zuo)所(suo)得到(dao)的感(gan)知交(jiao)互系統為(wei)機械手(shou)自(zi)主操(cao)縱與反饋提供(gong)大(da)量數據(ju)，未來可(ke)靈(ling)活(huo)應(ying)用於(yu)軟(ruan)電(dian)子(zi)器(qi)件、機器(qi)人自(zi)主判斷與識(shi)別(bie)、柔(rou)性觸(chu)手及控制(zhi)等(deng)多類(lei)具身智能應(ying)用。