可编程仿生超材料电子的熔模微铸造3D打印方法

来源：CellPress细胞科学

超材料通过各结构单元的特异性组合，为仿生电子器件的多模态集成与解耦提供实现路径。然而，制造工艺和功能材料的不匹配严重制约电子器件的材料与制造手段的的选择范围。早在两千年前的春秋时期，失蜡法便用于铸造结构复杂、配比多样的青铜器。若能通过微尺度3D打印制备可溶化“蜡模”，进而获取空心“模骨”后注入功能材料，则可制造结构复杂、种类多样的超材料电子器件，对多类型、高性能、难成型器件的制造具有重要意义。

基于此，来自西安交通大学的陈小明、邵金友教授团队在《Device》上发表一篇题为“ Investment micro-casting 3D-printed multi-metamaterial for programmable multimodal biomimetic electronics”的论文。

本文提出了一种基于布尔逻辑的熔模微铸造μ-3D打印（BμSL）技术，实现了多种不同功能材料的复杂高精结构成型。继而模仿触觉强弱感知，制造类神经元超材料器件，增强了机械手抓取的自主执行与多模态识别能力。这项研究为可编程超材料电子的设计与制造提供一种通用策略。

受古代青铜器失蜡法铸造工艺启发，提出一种面向多材料、难成型、跨尺度、可编程的超材料电子3D打印方法；

提出一种基于电润湿效应的微注塑方法，实现超20种复杂超材料器件成型；

设计与制造类神经元效应的压电超材料电子，实现仿生抓取、多模态特征解耦、自感知识别与强化学习应用。

超材料电子皮肤是通过模仿皮肤多种功能实现类触觉感知的复合器件，有助机器人实现灵巧操作和精准识别（如：柔软度和纹理）。通过3D打印优异功能导向的人工结构，器件可实现多模态感知集成与解耦。但在制造上也由于超材料的功能集成度高而面临如下挑战：

功能材料在打印中的相变不易受控（如激光、热或光子冲击）；

打印材料的功能负载度低（如含量或均一性）；

功能材料对打印参数的依赖度高，性能开发范围受限；

跨尺度、悬臂及拓扑结构难打印，微尺度误差控制困难；

为了尽可能降低打印工艺对器件性能的削弱，解决超材料器件“材料-结构-工艺”不匹配的问题，作者受古代青铜器失蜡法铸造工艺启发，提出一种基于布尔逻辑的熔模微铸造3D打印方法（BμSL），通过制备可去除的3D微铸造模具，实现结构复杂、材料多样的电子器件制造。

1.BμSL制造方法及特点
如图1所示为熔模微铸造3D打印方法的示意图，并展示了多种难成型功能材料的超材料结构，包括高固相含量的铁基电磁材料和钛酸钡基压电功能材料，以及Ga-In金属和海藻酸钠水凝胶。该方法还可制造多材料、多类型复杂微结构，包括极小曲面晶格、八角桁架等。多种功能材料与复杂三维微结构的随机组合，极大拓宽了可制造器件的范围。进一步，作者提出一种具有梯度化结构的三维压电超材料电子，通过模仿皮肤神经元的分布特点，突出“材料-结构-功能”一体化的制造优势。

图1 基于布尔逻辑的熔模微铸造3D打印方法

2.可溶性光敏树脂合成及微尺度打印
首先，作者研究了BμSL方法中的关键工艺步骤（图2）：可溶性光敏树脂的合成及微尺度结构打印。通过研究并调控树脂组成及曝光成型规律，实现常温常压下无明显溶胀的光固化“蜡模”制造，最小成形尺寸可达10 μm。与LIGA刻蚀及其他可溶可打印的高分子体系对比，该树脂体系可裂解成盐并溶于水，无固体残余，在裂解率和最小成型尺寸上具有明显的优势。其中，该研究利用摩方精密nanoArch® P140（精度：10 μm）3D打印系统制备了一种具有复杂结构的可溶光敏树脂3D打印预模（PM）。

图2 跨尺度2D/3D可溶性树脂合成及微尺度结构打印

3.跨尺度功能超材料
作者进一步对超疏水可稳定去除的“模骨”制造进行了研究（图3）。实现“蜡模”与“模骨”的结构转化是BμSL方法中的难点。作者提出基于电润湿效应的微流道异质材料置换方法，得到了跨尺度、多种类（PVDF/CNT，PVA/BNNS）的压电超材料，包括具有微观三维结构的橡胶基超材料和具有微-纳二级结构的气凝胶超材料。与同类型制造方法对比，BμSL在成形结构长径比（>20）、材料选择种类（>20）和成型尺寸（50μm）等方面，均优于其它方法。

图3 跨尺度功能超材料制造及综合性能对比

4.仿生超材料压电器件及可编程性能设计
进一步，如图4所示，为说明BμSL方法在结构-功能一体化器件上的应用，作者设计并制造了具有梯度化结构的柔性压电超材料（FMG）。通过模拟计算和实验验证，获得多组性能可调、结构可变的压电单体器件（FMPx）。结果表明FMPx的小载荷响应较无结构化器件提升近20倍，进而将其梯度化组装，可得到兼具小载荷灵敏响应性和大载荷稳定服役性的梯度化结构超材料器件FMG。这说明BμSL方法可提高柔性压电超材料电子的响应可调控能力，拓展了适用范围。

图4 仿生压电超材料及其性能可调控设计

5.多模态感知系统及自主交互
作者建立了压电超材料器件与机械手自主控制的交互系统（图5）。通过将多个FMG-T/J器件分别安装到机械手的尖端和关节处，测试并获取仿生多模态阵列感知系统（BASS）对软硬感知的斜率特征（kx）和抓取状态（U(θ)）的响应特征。研究发现，该系统增强了机械手对易碎、易变形等15种物体的感知能力。作者通过将感知数据结合强化学习模型训练，显著提高了硬度识别精度。BASS赋予机械手对不同软硬物体（0.72-13.15 kg/cm2）的动态抓取反馈和多模态（接触、弯曲、摩擦、刚度）感知能力。

图5 仿生多模态阵列感知系统

总结
综上，本文研究结果为仿生超材料电子的“材料-结构-功能”一体化制造及性能调控提供了实现方案。BμSL方法为仿生超材料电子性能设计带来新的实现思路，降低了多模态器件的感知集成难度。该工作所得到的感知交互系统为机械手自主操纵与反馈提供大量数据，未来可灵活应用于软电子器件、机器人自主判断与识别、柔性触手及控制等多类具身智能应用。

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100658