《先進材料》11月加州大學前沿報導：列印多材料有機觸覺致動器

【前言背景】

1.介紹

觸覺可分為兩部分：觸覺和動覺。觸覺涉及皮膚中的神經末梢，以檢測接觸，質地和振動。動覺是對身體位置的感知，涉及位於肌肉骨骼系統中的結構以感知力和運動。觸覺技術通過觸覺與用戶互動，產生感覺，以幫助人們進行操縱任務，並在虛擬或增強現實中提供周圍環境的信息。觸覺系統，能夠真實地觸摸重新創建的感覺會大大許多領域，包括遠程操作，模擬訓練，通信和身臨其境的娛樂影響人們的工作和生活。然而，觸覺的用途目前是有限的。觸覺致動器產生觸感並在人機互動中提供真實感和深度。需要新一代的軟觸覺界面來產生在模仿自然觸摸交互所需的大區域上的分布式信號。一種有前途的方法是將有機致動器材料和增材印刷技術的優點結合起來。這種強大的組合可以使設備符合人體工程學，易於定製，並且對研究人員來說是經濟的，以探索潛在的益處並創建新的觸覺應用。

【科研摘要】

最近加州大學聖地牙哥分校Tse Nga Ng教授團隊提出了用於製造觸覺致動器的新興有機致動器材料和數字印刷技術的概述。特別是，重點是與多材料致動器集成相關的挑戰和潛在解決方案，著眼於提高列印過程的保真度和魯棒性。然後，報告了通過使用開源擠壓印表機將不同的聚合物和複合材料集成到自由形式設計中來實現緊湊，輕巧的觸覺致動器的進展。通過兩個觸覺界面（一個觸覺表面和一個動覺手套）表明，使用有機材料進行列印是一種用於快速製作各種類型的觸覺設備原型的通用方法。相關科研成果Printing Multi‐Material Organic Haptic Actuators發表在德國Wiley《先進材料》上。

【圖文解析】

2.觸覺技術

最常見的觸覺技術是來自消費類電子產品中行動裝置的振動反饋，但對在表面提供感覺的其他技術存在很高的需求。產生觸控螢幕觸感的其他方式包括更改皮膚屏幕界面的表面摩擦力，附著力，溫度，粘彈性和形態。如圖1a所示，可以通過施加不同頻率和幅度的電壓來調整活動手指與封裝電極之間的靜電摩擦，從而使用戶感覺到設備表面在粘著性，溼滑性，顛簸性與光滑度之間變化。為了演示針對視障人士的盲文顯示器，按圖1b所示設計觸覺像素陣列，以通過局部提起點並更改柔性表面的形態來形成字母單元。大多數觸覺設備的目標是與我們的手互動，但是將觸摸反饋擴展到身體的更多區域會更加身臨其境。在這種情況下，表面觸覺的形狀因子最近已擴展到圖1c中的可穿戴薄片，其電磁線圈致動器與人體吻合。

圖1 a）電振動觸覺表面。b）盲文觸覺顯示器。c）皮膚集成的無線觸覺接口，用於機械振動反饋。d）商業觸覺反饋系統CyberGrasp。e）具有觸覺反饋的夾爪控制器。f）基於由電機驅動的指尖促動器的虛擬對象操縱和探索。g）保形靜電離合器，可提供動覺反饋。h）緊湊型觸覺反饋手套的概念。

3.有機致動器的材料和機理

在觸覺應用中，度量評估致動器的性能包括阻止應力和應變的活性。圖 2a比較了不同類別的致動器材料的這兩個指標。阻塞應力定義為材料在致動時克服約束（零變形）而產生的應力。主動應變通常被測量為在致動期間處於自由站立狀態的材料變形。圖2a中的虛線 表示剛度的恆定值，該值是粘滯應力與活動應變的比率。致動器的剛度可以與人體組織匹配，以提高舒適度和人體工程學。

圖2 a）各種致動器材料的阻塞應力和執行應變範圍。 圖解說明基於以下條件的有機致動器的操作機理的示意圖：b）水凝膠；c）形狀記憶聚合物；d）液晶彈性體；e）磁性複合材料；f）離子電活性聚合物；g）介電彈性體。h）壓電聚合物。

3.1溶脹驅動水凝膠

如圖2b所示，當聚合物鏈的彈性與滲透之間的平衡隨著外部刺激而變化時，水凝膠會吸收水並顯示出體積的急劇變化。體積變化取決於交聯密度，該交聯密度可以通過調節材料組成和加工方法來精確控制。乾燥狀態和溶脹狀態之間的結構變化可以通過改變參數（例如pH值，溶質摩爾濃度和溫度）進行調整，並且可以通過模擬預測。為了實現各向異性溶脹，通過擠出獲得由嵌入軟丙烯醯胺基體中的排列的纖維素原纖維組成的水凝膠。所得複合材料沿縱軸的溶脹小於垂直於原纖維的橫軸的溶脹。通過解決目標幾何形狀的反問題，可以設計出各向異性膨脹引起的形狀變化。水凝膠致動器的局限性在於它們的響應速度通常很慢，因為它們依靠擴散在膨脹狀態和收縮狀態之間切換。

3.2熱驅動聚合物

熱驅動聚合物包括形狀記憶聚合物（SMP），液晶彈性體（LCE）和熱膨脹聚合物。當通過焦耳加熱或照明使溫度升高時，這些材料就會啟動。SMP是具有永久和臨時網絡的聚合物，例如聚氨酯和聚己內酯。如圖2c所示，臨時網絡可以在高溫下斷開連接。一旦斷開連接，材料就會變形並保持在臨時位置，然後冷卻至轉變溫度以下，以固定臨時形狀。然後，當再次施加熱量時，由於聚合物網絡中存儲的彈性能，物體形狀將恢復為初始形狀。

4．數字製作方法

為了製造觸覺設備，數字印刷提供了將結構材料和電子材料相結合的功能，從而可以使用統一的工藝製造功能強大的可擴展設備。圖3a顯示了有關每種特定方法的油墨粘度公差的常用印刷方法列表。墨水粘度是決定墨水是否可以從印表機噴嘴中流出的關鍵參數，可以通過列印溫度和墨水配方對其進行調整。墨水的配方取決於溶質的極性和在溶劑中的溶解度。可以選擇低沸點的溶劑以加速蒸發，但是要權衡一下，快速蒸發可能會導致噴嘴堵塞。

圖3 a）數字製造技術和相應的油墨粘度。b）噴墨和電動流體動力印刷的示意圖。c）噴墨印刷電路。d）由電動流體噴墨技術製成的3D互連。e）擠出列印頭的示意圖。f）擠壓的共晶鎵銦金屬結構。g）多種材料的體素擠出。h）照相製版過程的示意圖。i）基於連續液體界面生產的光聚合。j）通過雙光子光刻構圖的熱解鎳納米結構。

6.印刷有機觸覺設備

已經證明可變形的觸覺表面可用於盲文顯示器和智能皮膚等應用。然而，由於製造的複雜性以及對笨重的輔助部件的需求，特別是對於流體致動器，現有的觸覺表面已被限制在小的覆蓋範圍內。

圖4a是印刷的觸覺表面的分解圖，圖4b是集成裝置的照片。每層的材料組合和幾何布局如圖4a，c所示。詳細的製造過程在支持信息中介紹。層1是一個多疇LCE膜，用作表面平滑層以封裝器件。在第2層中，熱塑性聚氨酯（TPU）沉積在七段促動器杆的區域中，而其餘區域則填充有多疇LCE。第3層是唯一具有主動致動材料的層。單域LCE印刷在TPU區域的頂部，被多域LCE包圍。單疇LCE的對準平行於每個矩形致動杆的寬度，即短邊緣。致動時，杆寬度將縮小並影響表面變形。在第4層中，將導電銀複合材料構圖為蛇形電阻加熱器，以熱激活選定段的致動。有六個接觸節點將加熱器連接到外部驅動器電路。第5層是另一種支持加熱絲的多疇LCE膜，是整個設備的底部封裝。

圖4 a）分解圖，b）觸覺顯示器的照片。c）在擠出印刷過程中印刷層的照片。d）致動器段的橫截面圖，顯示了溫度升高時的致動機制。e）演示將數字「 3」作為相應的段加熱到120°C。f）升高的高度和g）在不同溫度下致動器段的阻擋力。

圖5a示出了由三個印刷層組成的運動感覺致動器。 頂層和底層被擠出為單域LCE。 對於中間層，擠壓導電銀複合材料以圖案化加熱器跡線，並用LCE填充加熱器周圍的區域。 兩層銅線嵌入中間層，以將加熱器迴路連接到外部電源。 在圖5a中，淺藍色區域中的LCE平行於致動器的長邊對齊，而在深藍色區域中，LCE則平行於短邊對齊。 深藍色區域與淺藍色區域之間的垂直對齊方向會減少銅線相對於加熱器走線的軸向移動，以避免在致動時斷開電氣路徑。 直流電源用於為集成加熱器供電，以提高致動器溫度並控制致動器。

圖5 a）印刷的動覺致動器的分解圖。b）在不同的溫度下，印刷的動覺致動器的輸出應力-應變特性，以10°C為步長。c）在沒有負載的情況下加熱到不同溫度時的動覺致動器照片。d）手指模型上的致動演示。根據控制溫度，致動器將50克重物舉起不同的距離。e）致動器施加在手指上的拉力產生動感，以模仿虛擬實境中物體的撞擊。

致動器的特性取決於溫度，應力和應變，如圖5b所示。圖5c顯示了在不同溫度下收縮為不同長度的集成LCE致動器的照片。為了演示LCE致動器可以完成的工作，作者將致動器連接到模型手指上，如圖5d所示。指尖上掛有50克重。當致動器加熱時，LCE收縮並抬起指尖。在70°C時，致動器將重50 g的手指提起9.2 mm，相當於4.5 mJ的功輸出。這種工作輸出水平通常對於觸覺接口就足夠了。

參考文獻：

doi.org/10.1002/adma.202002541

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