一、研究背景

在人工智能時代，柔性器件（如可穿戴電子設(shè)備、儲能裝置、電子皮膚和柔性機器人等）作為人機交互和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵媒介，已受到廣泛關(guān)注。水凝膠憑借其固有的柔韌性和可加工性，成為制造柔性器件的理想材料。而3D打印技術(shù)（又稱增材制造）因其尺寸靈活性和設(shè)計自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)材料的復雜拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，被廣泛應用于軟智能器件的制造。

目前，通過3D打印對水凝膠材料進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以制造定制化功能器件已多有報道，例如利用數(shù)字光處理（DLP）或直接墨水書寫（DIW）打印策略開發(fā)出模擬麥斯納小體的突觸結(jié)構(gòu)、受章魚觸手啟發(fā)的吸盤結(jié)構(gòu)等。然而，隨著對多模式柔性器件需求的不斷增加，僅適用于單一打印策略的水凝膠已無法滿足集成器件的制造需求，這一局限成為阻礙柔性集成器件實際應用的重大挑戰(zhàn)。

二、研究內(nèi)容

（一）雙相3D打印水凝膠（TP-3DPgel）的設(shè)計與制備

研究團隊基于可控微相分離策略，設(shè)計了一種兼具液相DLP-3D打印和固相DIW-3D打印兼容性的雙相3D打印水凝膠（TP-3DPgel）。

• 材料組成：以丙烯酰胺（AAm）為單體，N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAA）為交聯(lián)劑，溶解于卡波姆溶液中，添加氯化鈣賦予導電性，通過原位聚合形成互穿網(wǎng)絡（IPN）系統(tǒng)
• 相轉(zhuǎn)變機制：卡波姆分子鏈上的羧基通過分子內(nèi)氫鍵形成卷曲簇（微相分離區(qū)域），通過pH調(diào)節(jié)實現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)變
• 兩種狀態(tài)：pH=5時為P-gel（初始狀態(tài)，不透明，適用于DLP打?。?；pH=7時為W-gel（中和狀態(tài)，透明粘稠，適用于DIW打印）

圖1：可控微相分離TP-3DPgel的設(shè)計概念和內(nèi)在特性

（二）TP-3DPgel的性能表征

1. 微觀結(jié)構(gòu)與相轉(zhuǎn)變驗證

• SEM分析：P-gel呈現(xiàn)多孔支架結(jié)構(gòu)（含微相分離區(qū)域），W-gel為均勻疏松網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
• FT-IR光譜：P-gel到W-gel轉(zhuǎn)變過程中特征峰消失和位移，證實羧基解離和陰離子排斥作用
• SAXS測試：W-gel為圓形散射圖案（結(jié)構(gòu)致密均勻），P-gel為橢圓形散射圖案（無序區(qū)域更大）
• Nano CT：清晰顯示P-gel內(nèi)部溶劑相和聚合物相的固-液界面

2. 關(guān)鍵性能參數(shù)

圖2：TP-3DPgel的力學性能表征

• 流變性能：粘度范圍跨越6個數(shù)量級（10?2至10? Pa·s?1），具有明顯剪切變稀行為
• 機械性能：P-gel拉伸強度0.82 MPa，拉伸應變1150%；W-gel拉伸強度0.22 MPa，拉伸應變1320%
• 低滯后特性：能量耗散系數(shù)（EDC）穩(wěn)定在5.4%-7.4%
• 抗疲勞性：800%應變下經(jīng)過100次反復加載-卸載循環(huán)，仍保持極低滯后和殘余應變
• 打印精度：DLP打印分辨率可達50 μm，DIW打印絲直徑范圍210-510 μm

（三）3D打印工藝優(yōu)化

圖3：不同3D打印策略下TP-3DPgel的成型質(zhì)量

• DLP-3D打?。禾砑?.03 wt%蘇丹I作為光吸收劑，將聚合誘導溫度從83℃降至38℃，避免過度固化
• DIW-3D打?。哼x擇250 μm直徑噴嘴，優(yōu)化參數(shù)為掃描速度2-12 mm/s、壓力5-30 PSI、平臺溫度5-10℃
• 多尺度打?。嚎蓪崿F(xiàn)從50 μm（DLP）到510 μm（DIW）的多尺度結(jié)構(gòu)制造

（四）柔性功能器件的制備與應用

圖4：DIW-3D打印TP-3DPgel柔性器件

1. DIW-3D打印器件

• 柔性超級電容器：面電容達2.45 mF/cm2（10 mV/s掃描速率），庫侖效率最高95.2%
• 全向應變傳感器：300%應變范圍內(nèi)靈敏度GF=1.8，可檢測心率、肌肉收縮、語音等生理信號
• 溫度傳感器：25-50℃生理溫度范圍內(nèi)靈敏度-0.82%/℃，蛇形設(shè)計抗應變干擾

圖5：DLP-3D打印TP-3DPgel壓電容電子皮膚

2. DLP-3D打印器件

• 結(jié)構(gòu)化電子皮膚：錐形結(jié)構(gòu)傳感器靈敏度達1.821 kPa?1（是平面?zhèn)鞲衅鞯?1倍）
• 響應性能：響應時間40 ms，恢復時間50 ms，可檢測2.5 kPa細微壓力至40 kPa高負載
• 傳感器陣列：批量制造電子皮膚陣列，可數(shù)字化識別不同形狀物體的空間壓力分布

3. 柔性集成器件

結(jié)合DIW和DLP技術(shù)，成功制造兼具壓力傳感、應變傳感和溫度傳感功能的柔性集成器件，可實現(xiàn)細微觸摸、手腕彎曲和溫度變化的多維度檢測。

三、研究結(jié)論

1. 提出可控相分離策略，通過pH調(diào)節(jié)實現(xiàn)水凝膠微相分離區(qū)域的可逆轉(zhuǎn)變，突破了不同3D打印技術(shù)對墨水流變性能的極端要求，解決了DLP與DIW打印的"語言障礙"。
2. TP-3DPgel兼具優(yōu)異的機械性能（高拉伸強度、高應變）、彈性（低滯后）和抗疲勞性，在800%應變下經(jīng)過100次循環(huán)仍保持穩(wěn)定性能。
3. 該水凝膠同時兼容DLP和DIW-3D打印，成型精度高（50-510 μm），可實現(xiàn)從2D絲到3D復雜結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量制造。
4. 通過與PEDOT:PSS、MXene、CNT等功能材料的兼容融合，成功制備了儲能裝置、傳感器、電子皮膚等多種柔性器件，為3D打印功能器件的制造提供了可靠策略。

四、論文信息