Stampa 3D integrata di dispositivi elettroluminescenti flessibili e robot morbidi

Jun 09, 2024

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4775 (2022) Citare questo articolo

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I dispositivi che emettono luce flessibili ed estensibili stanno guidando l'innovazione in una miriade di applicazioni, come l'elettronica indossabile e funzionale, i display e la robotica morbida. Tuttavia, lo sviluppo di dispositivi elettroluminescenti flessibili tramite tecniche convenzionali rimane laborioso e dai costi proibitivi. Qui riportiamo un percorso semplice e facilmente accessibile per la fabbricazione di una classe di dispositivi elettroluminescenti flessibili e robotica morbida tramite la stampa 3D basata sulla scrittura diretta di inchiostro. Sono stati sviluppati inchiostri dielettrici elettroluminescenti e isolanti conduttori ionici stampabili in 3D, che consentono la creazione facile e su richiesta di dispositivi elettroluminescenti flessibili ed estensibili con buona fedeltà. La robusta adesione interfacciale con i dispositivi elettroluminescenti multistrato ha dotato i dispositivi stampati in 3D di interessanti prestazioni elettroluminescenti. Integrando i nostri dispositivi elettroluminescenti stampati in 3D con un robot quadrupede morbido e unità di rilevamento, è stato fabbricato un camuffamento artificiale che può auto-adattarsi istantaneamente all'ambiente visualizzando colori corrispondenti, ponendo una struttura efficiente per i camuffamenti morbidi di prossima generazione.

L'avvento dell'elettronica elettroluminescente (EL) flessibile ed estensibile ha consentito progressi tecnologici in una miriade di applicazioni, come la crittografia delle informazioni1,2,3, skin elettroniche intelligenti4,5,6,7,8, robotica morbida9,10,11 e comunicazione ottica12 ,13. Tra questi dispositivi elettroluminescenti, i dispositivi a corrente alternata EL (ACEL) sono senza dubbio uno dei candidati più adatti per lo sviluppo di dispositivi estensibili14. Presentano non solo architetture semplici, promettenti duttilità e robustezza per applicazioni in ambienti difficili, ma anche processi di produzione relativamente facili rispetto alla deposizione di vapore per la fabbricazione di diodi a emissione di luce organica5,7,10,11,15,16. Attualmente, i dispositivi ACEL flessibili sono comunemente fabbricati tramite laminazione multistrato (ovvero serigrafia), in cui uno strato di fosforo EL (come i punti ZnS:Cu) è inserito tra due elettrodi estensibili. Tuttavia, la serie di passaggi e le costose utilità (ad esempio, maschere e strumenti delicati) richiesti in questa tecnica possono limitare le sue applicazioni nella prototipazione rapida e nella personalizzazione17. Con la crescente domanda di innovazione nei dispositivi EL flessibili, è quindi urgentemente necessaria una strategia di fabbricazione facile, facilmente accessibile e personalizzabile.

La stampa 3D multimateriale, d’altro canto, è una tecnica di produzione programmabile e ad alta produttività emergente che consente la creazione di oggetti complessi 2D e 3D multicomponente da un’ampia gamma di materiali viscoelastici funzionali, offrendo una strategia praticabile per raggiungere questo obiettivo. goal18,19,20. Tuttavia, nonostante i recenti progressi nell’elettronica stampata in 3D, come display, dispositivi elettronici indossabili, illuminazione a stato solido ed elettronica biomedica21,22, la fabbricazione di sofisticati dispositivi EL attraverso la stampa 3D multimateriale rimane in gran parte inesplorata23,24,25. Qui, riportiamo un approccio semplificato per la fabbricazione di dispositivi EL flessibili attraverso la stampa 3D multimateriale (Fig. 1a). Il dispositivo è costituito da un elastomero altamente conduttivo come elettrodi, un elastomero dielettrico come strato isolante e un elastomero caricato con fosfori ZnS come strato elettroluminescente. Per ottenere un sistema stampabile, le formulazioni degli inchiostri sono state progettate per mostrare proprietà reologiche favorevoli per la stampa per estrusione senza compromettere le loro funzionalità elettriche uniche (ad esempio, conduttività ionica, isolamento dielettrico ed elettroluminescenza). Grazie alla stampabilità superiore dei nostri inchiostri, sono state create architetture 2D e 3D stampate ad alta fedeltà, incluso un braccialetto flessibile con un motivo EL personalizzato. Inoltre, grazie alla formulazione dell’inchiostro, i dispositivi EL stampati in 3D mostrano un’elevata conformità meccanica e una solida adesione tra gli strati costituenti, consentendo quindi prestazioni EL stabili anche in caso di deformazione meccanica. La nostra strategia proposta è facilmente integrabile con altri progressi tecnologici, come la robotica morbida. Integrando i nostri dispositivi EL stampati in 3D con un robot morbido pneumatico (Fig. 1b), dimostriamo ulteriormente la creazione di un robot morbido autoadattativo ispirato al camaleonte, che può cambiare istantaneamente il colore della sua superficie per adattarlo all'ambiente. La strategia di fabbricazione semplice e programmabile qui proposta apre nuove strade per la creazione di display flessibili di prossima generazione, dispositivi elettronici indossabili, mimetizzazioni intelligenti e altro ancora.