自组装高导电性传感器可以改善可穿戴设备

发布时间：2024-08-19 14:19:34 栏目：精选知识

导读 为了推动软机器人、皮肤集成电子产品和生物医学设备的发展，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种 3D 打印材料，这种材料柔软且可拉伸...

为了推动软机器人、皮肤集成电子产品和生物医学设备的发展，宾夕法尼亚州立大学的研究人员开发了一种 3D 打印材料，这种材料柔软且可拉伸(这是匹配组织和器官特性所需的特性)，并且可以自组装。该团队表示，他们的方法采用了一种工艺，消除了以前制造方法的许多缺点，例如导电性较差或设备故障。



他们的成果发表在 《先进材料》杂志上。

“近十年来，人们一直在开发柔软且可拉伸的导体，但导电性通常不是很高，”通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程学院工程科学与力学和生物医学工程助理教授、地球与矿物科学学院材料科学与工程助理教授陶周说。“研究人员意识到，他们可以用液态金属基导体实现高导电性，但这种方法的一个重大限制是，它需要一种二次方法来激活材料，然后才能达到高导电性。”

研究人员表示，基于液态金属的可拉伸导体存在固有的复杂性，以及制造后激活过程带来的挑战。二次激活方法包括拉伸、压缩、剪切摩擦、机械烧结和激光激活，所有这些方法都可能导致制造困难，并可能导致液态金属泄漏，从而导致设备故障。

“我们的方法不需要任何二次激活就能使材料导电，”周说，他还隶属于哈克生命科学研究所和材料研究所。“这种材料可以自组装，使其底面导电性好，顶面自绝缘。”

在新方法中，研究人员将液态金属、一种名为 PEDOT:PSS 的导电聚合物混合物和亲水性聚氨酯结合在一起，使液态金属能够转化为颗粒。当打印和加热复合软材料时，其底面上的液态金属颗粒会自组装成导电通路。顶层的颗粒暴露在富氧环境中并氧化，形成绝缘顶层。导电层对于向传感器传递信息至关重要——例如肌肉活动记录和身体上的应变感应——而绝缘层则有助于防止信号泄漏，这可能会导致数据收集不太准确。

“我们的创新是材料创新，”周说。“通常，当液态金属与聚合物混合时，它们不导电，需要二次活化才能实现导电性。但这三种成分可以自组装，从而产生柔软且可拉伸材料的高导电性，而无需二次活化方法。”

周说，这种材料还可以进行 3D 打印，使制造可穿戴设备变得更加容易。研究人员正在继续探索潜在的应用，重点是为残疾人提供辅助技术。

论文的其他作者包括宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的博士生 Salahuddin Ahmed、Marzia Momin 和 Jiashu Ren，以及宾夕法尼亚州立大学生物医学工程系的博士生 Hyunjin Lee。这项工作得到了台北科技大学-宾夕法尼亚州立大学合作种子基金计划以及宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系、材料研究所和哈克生命科学研究所的支持。