用于生物接口電子和軟體機(jī)器人的3D電子傳感器研究進(jìn)展

近年來(lái)，用于傳感領(lǐng)域的多維電子器件在生物接口（bio-interface）電子學(xué)和軟體機(jī)器人領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其中，3D電子是新興的傳感器平臺(tái)之一，其特點(diǎn)是在自由目標(biāo)表面上具有結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和兼容性，從而空前提高了空間分辨率。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，韓國(guó)先進(jìn)材料研究所（RIAM）的研究人員在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了題為“3D Electronic Sensors for Bio-Interfaced Electronics and Soft Robotics”的文章，綜述了最新報(bào)道的3D電子傳感器的材料、制造方法、應(yīng)用前景。

圖1 3D電子傳感器的概念原理圖和下一代傳感應(yīng)用的方法分類(lèi)

3D電子傳感器件首先可以根據(jù)制造技術(shù)分為可打印和可變形兩類(lèi)，并可以根據(jù)其性能和傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的刺激類(lèi)型進(jìn)行進(jìn)一步分類(lèi)。

其中，3D打印是一種很有前途的技術(shù)，可以應(yīng)用于制造獨(dú)立和任意結(jié)構(gòu)的器件，而無(wú)需使用微加工工藝。該方法可以利用墨水書(shū)寫(xiě)和光誘導(dǎo)聚合工藝，在任意襯底上構(gòu)建無(wú)縫的電子器件單元，包括電路和光電器件等自由形狀微結(jié)構(gòu)。此外，3D打印技術(shù)可以成功地用于直接打印刺激響應(yīng)傳感器件，例如基于機(jī)械、熱、光學(xué)和射頻（RF）等原理的傳感器。同時(shí)，使用3D打印方法開(kāi)發(fā)的具有特定形狀因素的電子傳感器，可以幫助開(kāi)發(fā)具有仿生功能的人造器官。

在該論文中，作者總結(jié)了可印刷電子材料及其組成，以及它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并介紹了用于智能監(jiān)測(cè)和生物接口電子及軟體機(jī)器人開(kāi)發(fā)的各種類(lèi)型的3D打印多維傳感器。

圖2 3D打印電子墨水及其應(yīng)用

圖3 用于形狀記憶和微流控應(yīng)用的3D電子傳感器

圖4 使用3D打印電子器件制造的智能傳感系統(tǒng)

將2D系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為3D模型的面外變形構(gòu)造方法已廣泛應(yīng)用于利用各種規(guī)模驅(qū)動(dòng)力制造3D電子器件的過(guò)程。利用2D制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)成形結(jié)構(gòu)的按需表面空間分辨率。而面外變形技術(shù)是一種輔助技術(shù)，可以幫助解決3D打印技術(shù)的局限性。但是，該方法不能生成任意的3D物體，從而限制了該方法的應(yīng)用前景。然而，兩種具有代表性的制造策略的互補(bǔ)關(guān)系表明，面外變形策略可以用于3D物體結(jié)構(gòu)，以制造具有先進(jìn)3D功能（例如可逆性、可擴(kuò)展性和高響應(yīng)性）的材料。

在此，作者總結(jié)了可變形電子傳感器的性能和應(yīng)用前景，以及用于制造這些材料的面外變形技術(shù)的制造策略。

圖5 可變形平臺(tái)的多功能傳感性能

圖6 機(jī)器人、生物接口和環(huán)境傳感應(yīng)用

最后，作者討論了以傳感器集成3D結(jié)構(gòu)為特征的下一代可印刷和可變形電子傳感器的應(yīng)用進(jìn)展，并著重提出了未來(lái)需要解決的與該領(lǐng)域相關(guān)的四個(gè)挑戰(zhàn)。

首先，作者提出，為了實(shí)現(xiàn)3D電子傳感器的性能多樣化，應(yīng)該開(kāi)發(fā)各種材料，特別是與3D打印技術(shù)相關(guān)的材料。以往使用的打印填料主要由樹(shù)脂基體中的固態(tài)導(dǎo)電納米顆粒組成，這些材料不能用于開(kāi)發(fā)氣態(tài)或高溫下可操作的材料。此外，各種未使用過(guò)的印刷材料在復(fù)合狀態(tài)下的性能優(yōu)化還有待進(jìn)一步研究。

其次，克服3D電子學(xué)的基本結(jié)構(gòu)限制是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。大多數(shù)屈曲結(jié)構(gòu)是在復(fù)雜的程序結(jié)構(gòu)下由彈性體襯底組成的。這阻礙了材料的應(yīng)用前景以及將系統(tǒng)集成到各種傳感目標(biāo)中的過(guò)程。在不久的將來(lái)，復(fù)雜3D幾何形狀的獨(dú)立結(jié)構(gòu)和兼容的固定形狀薄膜材料的優(yōu)化將成為研究的重點(diǎn)。

此外，結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械和電學(xué)穩(wěn)定性是整個(gè)3D電子傳感器的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。目前使用的3D打印方法是將導(dǎo)電材料隨機(jī)滲透到基礎(chǔ)樹(shù)脂中。這將導(dǎo)致電導(dǎo)率對(duì)應(yīng)變刺激的高度敏感。而基于折疊的3D電子傳感器也存在與鉸鏈和折痕的機(jī)械穩(wěn)定性相關(guān)的局限性。因此，需要選擇合適的材料，并提出優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)具有可靠機(jī)電性能的集成電子器件的穩(wěn)定運(yùn)行。

最后，3D系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)微觀應(yīng)用，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)高空間分辨率至關(guān)重要。如果了解了3D打印過(guò)程中制造的系統(tǒng)的形態(tài)，就可以解決納米級(jí)可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)。與系統(tǒng)相關(guān)的問(wèn)題可歸因于自下而上的擠出（通過(guò)噴嘴進(jìn)行）和光固化工藝。納米級(jí)填料擠壓和光輻照技術(shù)的發(fā)展有助于推動(dòng)3D打印研究領(lǐng)域的發(fā)展。

此外，可擴(kuò)展性問(wèn)題也出現(xiàn)在2D到3D可變形電子器件中，顯示了在屈曲情況下彈性體襯底與2D材料之間選擇性粘附的可控性問(wèn)題。所以，應(yīng)控制與鍵合/非鍵合位點(diǎn)相關(guān)的選擇性附著力，以達(dá)到預(yù)期的效果。目前所報(bào)道的屈曲結(jié)構(gòu)在納米尺度上難以發(fā)揮精確位置和尺寸的粘附力，因此在微尺度下的制造有一定的局限性。當(dāng)前，高分辨率附著力制造的發(fā)展，包括控制不必要的范德華力和毛細(xì)力，是3D電子學(xué)亟需攻克的方向。

審核編輯：劉清