全印刷制作超薄微图案电化学致动器,用于可拉伸电子电路
发布日期：2024-02-28 15:33:48
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背景介绍人机交互对可穿戴性、生物相容性和安全性的追求推动了可拉伸电子和软机器人的发展。已经广泛研究了几种类型的电驱动软致动器，包括静电、电热、压电和电化学致动器。在这些致动器中，通过电化学过程将电能转换为机械能的电化学致动器（ECA）由于其在低致动电压下实现大变形的能力而引起了相当大的关注。亚毫米或微米级电控柔性致动器在微型机器人、触觉和生物医学应用中具有巨大潜力。然而，小型化和微图案柔性致动器的制造仍然具有挑战性。Cambridge大学Sohini Kar-Narayan的团队报告了一种通过喷墨打印的三层电化学致动器（ECAs）的微制造，喷墨打印是一种具有高分辨率的快速成型方法。他们制作了全印刷的1000×5000×12μm3超薄ECAs，每个ECAs包括夹在两个聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）电极层之间的Nafion电解质层。ECAs由于电场驱动的水合质子迁移而启动。由于薄导致质子传输长度低和弯曲刚度低，打印的ECAs可以在低电压（～0.5 V）下工作，并具有相对较快的响应（～秒）。他们打印了由两个单独控制的亚毫米段组成的致动器的所有组件，并演示了其多模式驱动。他们的微制造方案的便利性、多功能性、快速性和低成本有望在可拉伸电子电路上集成复杂图案的单独控制的软微致动器阵列。相关成果以“Controllable Multimodal Actuation in Fully Printed Ultrathin Micro-Patterned Electrochemical Actuators”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。图1 （A） 显示致动器（样品I）弯曲角度（θ）的视频帧，施加0.5 V后0和1秒。致动器的初始弯曲角度为θ0。通过从θ中减去θ0来计算偏移减去角偏转（Δθ）。在1秒内，Δθ=0.057 rad（θ0=0.215 rad，θ=0.272 rad）。（B） PEDOT:PSS/Nafion/PEDOT:PSS三层执行机构示意图。（C） 在不同扫描速率下，致动器（样品II）的CV在±0.8 V之间测量。图2 AJP三层致动器在空气中的频率和电压扫描测试（样品I）。（A） 在振幅为0.5V的不同波形下，从0.05到10Hz的频率扫描的弯曲角（θ）。（B） θ在0.1 Hz不同波形下从0.1到0.8 V振幅的电压扫描下。（C） 峰间角偏转（θpp）相对于施加电压频率的曲线图，振幅为0.5 V。（D）θpp相对于0.1 Hz频率下电压振幅的曲线图。图3 （A） 两段式执行机构的分解图（所有层的厚度都放大了10倍）。金细线的宽度为100μm。Nafion封装层中的小矩形孔允许Au线和相应的PEDOT:PSS电极之间的连接。（B） 两段式执行器的光学图像。（C） 当向两对单独寻址的电极施加不同电压时，两段致动器的多模式致动。左侧的示意图显示了从t1到t8（施加电压几秒钟后）施加在每个电极上的电压。“0”表示0V，“+”表示施加在电极上的0.8V。右侧的图像成对重叠，显示了致动器在所示两个瞬间的变形。致动器的初始曲率如图3A所示。（D） 内部和外部段的电流（I）和尖端角位移（θ，相对于夹持点）测量受到每个段上不同极性输入的影响。偶尔观察到的不规则瞬态是由于空气运动和手动开关操作引起的振动。Ji Zhang, Qingshen Jing, Tom Wade, Zhencheng Xu, Liam Ives, Diandian Zhang, Jeremy J. Baumberg, and Sohini Kar-Narayan*原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c19006
