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在这个智能手机和平板电脑时代,触控表面无处不在。它们也很脆弱,因为到处都有破碎手机屏幕的人可以证明。

用传感器覆盖机器人 - 或飞机或桥梁 - 将需要一种既可灵活又具有成本效益的大批量生产技术。麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的一组研究人员认为,3d打印可能就是答案。

为了证明灵活的可印刷电子设备的可行性,这些电子设备结合了传感器和处理电路并可以对其环境起作用,研究人员设计并构建了一种通过改变其表面上的斑点颜色来响应机械应力的设备。

该设备的灵感来自金龟甲虫,或“金鱼”,一种昆虫,其外部通常呈金黄色,但如果昆虫被刺戳或刺激则会变成红橙色 - 即机械应力。

“在本质上,传感器和互连网络被称为感觉运动通路,”负责该项目的麻省理工学院电气工程和计算机科学(eecs)研究生subramanian sundaram说。“我们试图看看我们是否可以在三维打印物体内复制感觉运动通路。所以我们认为是我们能找到的最简单的生物体。”

研究人员在最新一期的“ 高级材料技术 ”杂志上展示了他们的新设计。sundaram是论文的第一作者,资深作者是sundaram的顾问,woecciech matusik,eecs副教授; 和eecs教授兼电子研究实验室主任marc baldo。将他们加入到纸上的是pitchaya sitthi-amorn,他是matusik实验室的前博士后人。江子文,本科eecs学生; 和david kim,matusik计算制造集团的技术助理。

自下而上

可印刷电子器件,其中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表示,印刷基板本身的能力大大增加了该技术可以产生的器件范围。

一方面,基材的选择限制了可以沉积在其上的材料类型。因为印刷基板可以由许多材料组成,以复杂但规则的图案互锁,所以它拓宽了可印刷电子设备可以使用的功能材料的范围。

印刷的基材也开启了这样的装置的可能性,尽管这些装置印刷成平板,但它们可以折叠成更复杂的三维形状。例如,在加热时自发自组装的可印刷机器人是csail分布式机器人实验室正在进行研究的主题,该实验室由麻省理工学院电气工程和计算机科学的andrew和erna viterbi教授daniela rus领导。

“我们相信只有你能够打印下面的基材才能开始考虑印刷更复杂的形状,”sundaram说。

选择性信号

麻省理工学院的研究人员的新装置大致为t形,但有一个宽的蹲式底座和一个细长的横杆。横杆由弹性塑料制成,其长度为银条; 在研究人员的实验中,电极连接到横杆的末端。t的底座由更坚硬的塑料制成。它包括两个印刷晶体管和研究人员称之为“像素”,一个半导体聚合物圆,当横杆拉伸时颜色会发生变化,从而改变银条的电阻。

实际上,晶体管和像素由相同的材料制成; 当横杆伸展时,晶体管也会略微改变颜色。然而,在像素中效果更显着,因为晶体管放大来自横杆的电信号。sundaram表示,展示工作晶体管至关重要,因为大而密集的传感器阵列需要一些容量来进行板载信号处理。

“你不希望将所有传感器连接到主计算机上,因为那样你就会有大量的数据进入,”他说。“你希望能够进行巧妙的连接并选择相关的信号。”

为了构建该设备,研究人员使用了由matusik集团开发的定制3d打印机multifab。multifab已经包括两个不同的“打印头”,一个用于发射热材料,一个用于冷却,以及一系列紫外发光二极管。使用紫外线辐射“固化”由打印头沉积的流体产生装置的基板。

sundaram添加了一个铜和陶瓷加热器,这是沉积半导体塑料所必需的:塑料悬浮在喷射到器件表面的液体中,加热器蒸发液体,留下一层仅200纳米厚的塑料。

流体边界

晶体管由半导体通道组成,其顶部是“栅极”,即金属线,当充电时,产生电场,使半导体在其导电和非导电状态之间切换。在标准晶体管中,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。

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。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,因此可以使用普通的1.5伏电池供电。但它确实使设备不那么耐用。“我认为我们可能会让它稳定地工作两个月,也许,”sundaram说。“一种选择是将液体替换为固体和液体之间的物质,如水凝胶,也许。但这是我们稍后会做的事情。这是一个初步的证明。”

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