研究人员正在为机器人开发3d打印皮肤

在这个智能手机和平板电脑的时代，触摸敏感表面无处不在。它们也很脆弱，手机屏幕破裂的人可以证明这一点。

在机器人、飞机或桥梁上安装传感器需要一种既灵活又经济的技术来批量生产。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的一组研究人员认为，3d打印可能是解决问题的答案。

为了证明将传感器和处理电路结合起来的柔性可打印电子产品的可行性，研究人员设计并制造了一种通过改变表面斑点的颜色来响应机械应力的设备。

该装置的灵感来自金龟甲虫，或“金甲虫”，这种昆虫的外表通常是金色的，但如果它被戳或刺激，即机械压力，就会变成红橙色。

“在自然界中，传感器和互连网络被称为感觉运动通路，”麻省理工学院电气工程和计算机科学(EECS)研究生Subramanian Sundaram说，他是该项目的负责人。“我们试图看看是否可以在3d打印物体内复制感觉运动路径。所以我们考虑了我们能找到的最简单的生物。”

研究人员在最新一期的《先进材料技术》杂志上介绍了他们的新设计。Sundaram是这篇论文的第一作者，资深作者是Sundaram的导师、EECS副教授Wojciech Matusik;以及EECS教授、电子学研究实验室主任Marc Baldo。与他们一起发表论文的还有马图西克实验室的前博士后Pitchaya Sitthi-Amorn;EECS本科生姜子文;以及Matusik计算制造小组的技术助理David Kim。

可打印电子产品是自下而上发展起来的

可打印电子器件是将柔性电路沉积在某种类型的塑料基板上，几十年来一直是研究的主要领域。但Sundaram说，打印基板本身的能力大大增加了该技术可以产生的设备范围。

一方面，基材的选择限制了可以沉积在其上的材料类型。由于印刷基板可以由多种材料组成，以复杂但规则的模式相互锁扣，它拓宽了可印刷电子产品使用的功能材料的范围。

印刷基板也为这种设备打开了可能性，尽管打印为平板，但可以将自己折叠成更复杂的三维形状。例如，在加热时自发自组装的可打印机器人是CSAIL分布式机器人实验室正在研究的一个主题，该实验室由麻省理工学院电气工程和计算机科学的安德鲁和埃尔纳·维特比教授丹妮拉·罗斯领导。

Sundaram说:“我们相信，只有能够打印底层基板，才能开始考虑打印更复杂的形状。”

选择信号

麻省理工学院研究人员的新设备近似t型，但有一个宽而深蹲的底座和一个细长的横杆。横梁是由弹性塑料制成的，有一条银条贯穿其长度;在研究人员的实验中，电极被连接到横木的两端。T的底座是由更坚硬的塑料制成的。它包括两个打印的晶体管和研究人员所说的“像素”，这是一个半导体聚合物圈，当交叉条拉伸时，它的颜色会改变，从而改变银条的电阻。

事实上，晶体管和像素是由同一种材料制成的;当横条拉伸时，晶体管的颜色也会发生轻微变化。然而，在像素上的效果更为显著，因为晶体管放大了来自横杆的电信号。Sundaram说，演示工作晶体管是必要的，因为大型、密集的传感器阵列需要一定的机载信号处理能力。

“你不会想把所有的传感器都连接到你的主计算机上，因为那样会有大量的数据输入，”他说。“你希望能够进行巧妙的连接，并只选择相关的信号。”

为了制造这个设备，研究人员使用了Matusik团队开发的定制3d打印机MultiFab。MultiFab已经包含了两个不同的“打印头”，一个用于发射热材料，一个用于发射冷材料，以及一组紫外线发光二极管。使用紫外线辐射来“治愈”打印头沉积的液体，从而产生设备的基板。

Sundaram增加了一个铜陶瓷加热器，这是沉积半导体塑料所必需的:塑料悬浮在喷射到设备表面的液体中，加热器蒸发液体，留下一层只有200纳米厚的塑料。

流体边界

晶体管由半导体通道组成，通道上方有一个“栅极”，这是一根金属线，当它充电时，会产生一个电场，将半导体在导电和不导电状态之间切换。在标准晶体管中，在栅极和半导体之间有一个绝缘体，防止栅极电流泄漏到半导体通道中。

麻省理工学院研究人员的设备中的晶体管用一层含有钾盐的水将栅极和半导体分开。给栅极充电会使钾离子进入半导体，从而改变半导体的导电性。

这层盐水降低了设备的工作电压，因此它可以用普通的1.5伏电池供电。但它确实降低了设备的耐用性。Sundaram说:“我认为我们可能可以让它稳定工作两个月。”“一种选择是用介于固体和液体之间的东西代替这种液体，比如水凝胶。但这是我们以后要做的。这是一个初步的演示。

麻省理工学院

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-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程《媒体,cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程离散的制造业故事．

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