在這個(gè)智能手機(jī)和平板電腦泛濫的年代，觸控表面無處不在。但是，他們非常脆弱，正如我們經(jīng)常見到的破碎的手機(jī)屏幕那樣。覆蓋在機(jī)器人表面的“皮膚”既要非常柔韌，批量生產(chǎn)時(shí)又必須具備成本效益。MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室的研究院認(rèn)為，3D打印或許是不錯(cuò)的解決方案。為了證明將傳感器和處理電路結(jié)合在一起的柔性可打印電子器件的可行性，研究人員設(shè)計(jì)并制造了一種裝置，通過改變表面光斑的顏色來響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力。他們的靈感來自于黃金龜甲蟲，該甲殼蟲來自北美，擁有獨(dú)特的偽裝形式。當(dāng)受到外界威脅的時(shí)候，甲殼蟲殼上金色的色彩會(huì)變成半透明的紅棕色，這從而會(huì)起到隱蔽和自我保護(hù)的作用。受到變色甲殼蟲的啟發(fā)，研究員們?cè)噲D構(gòu)建一種以3D打印的柔性膜為基礎(chǔ)的機(jī)器人皮膚，同時(shí)，他們將各類傳感器布置在機(jī)器人的皮膚表面，這樣這個(gè)機(jī)器人皮膚就具備光學(xué)變化的功能。研究員們還根據(jù)變換的顏色來分類做出相應(yīng)機(jī)械工作的材料，讓機(jī)器人擁有更多樣化的功能。“在自然界中，傳感器網(wǎng)絡(luò)和互連網(wǎng)絡(luò)稱為感覺通路，”MIT電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)（EECS）研究生、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Subramanian Sundaram表示，“我們想看看是否可以在3D打印物體內(nèi)復(fù)制這樣的感覺通路。所以我們找到了自認(rèn)為最簡(jiǎn)單的生物。” 研究人員在最新一期的《先進(jìn)材料技術(shù)》雜志上發(fā)表了他們的新成果。

自下而上印刷電路一直是近幾十年來的主要研究領(lǐng)域，Sundaram表示，印刷基板本身的能力大大提高了該技術(shù)可以生產(chǎn)的設(shè)備的范圍。首先，襯底的選擇限制了可以沉積在其表面的材料的類型。由于印刷基板可以由許多材料組成，它錯(cuò)綜復(fù)雜但又相互聯(lián)系，擴(kuò)大了可印刷電子產(chǎn)品可使用的功能材料的范圍。印刷基板也使得這樣的設(shè)備成為可能，盡管印刷在平面上，但是可以折疊成復(fù)雜的三圍形狀。可打印機(jī)器人遇熱時(shí)自組裝是CSAIL分布式機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室正在研究的一個(gè)課題。“我們相信，只有能打印印刷基板時(shí)，才能開始考慮打印更復(fù)雜的形狀，”Sundaram說。選擇信號(hào)

MIT研究人員的新設(shè)備是T形的，由一個(gè)四方形和一個(gè)長(zhǎng)條形組成。長(zhǎng)條形的是彈性塑料，上面有銀條；在試驗(yàn)中，電極連接長(zhǎng)條形的兩端。T的底部由更硬的塑料制成。它包括兩個(gè)印刷晶體管，研究人員將其稱為“像素”，這是一個(gè)半導(dǎo)體聚合物的一圈，當(dāng)十字條伸展時(shí)，其顏色會(huì)發(fā)生變化，從而改變了銀條的電阻。事實(shí)上，晶體管和像素由相同的材料制成; 當(dāng)交叉桿伸展時(shí)，晶體管也會(huì)稍微改變顏色。然而，像素中的效果更顯著，因?yàn)榫w管放大了來自交叉開關(guān)的電信號(hào)。Sundaram表示，演示工作晶體管是必不可少的，因?yàn)榇笮兔芗瘋鞲衅麝嚵行枰欢ǖ陌遢d信號(hào)處理能力。“您不想將所有傳感器連接到主計(jì)算機(jī)，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，”他說，“你希望能夠進(jìn)行智能的連接，并只選擇相關(guān)的信號(hào)。”研究人員使用MultiFab來構(gòu)建設(shè)備，這是由Matusik集團(tuán)開發(fā)的定制三維打印機(jī)。MultiFab已經(jīng)包括兩個(gè)不同的“打印頭”，一個(gè)用于擠出熱材料，一個(gè)用于冷卻，另外還有一個(gè)紫外發(fā)光二極管陣列。使用紫外線輻射來“固化”由打印頭沉積的流體產(chǎn)生該裝置的基底。流體邊界晶體管由半導(dǎo)體通道構(gòu)成，其上設(shè)有“柵極”，金屬線，當(dāng)被充電時(shí)產(chǎn)生在其導(dǎo)電和非導(dǎo)電狀態(tài)之間切換半導(dǎo)體的電場(chǎng)。在標(biāo)準(zhǔn)晶體管中，在柵極和半導(dǎo)體之間存在絕緣體，以防止柵極電流泄漏到半導(dǎo)體溝道中。MIT研究人員設(shè)備中的晶體管沒有分離柵極和半導(dǎo)體，取而代之的是一層含鉀鹽的水。對(duì)柵極充電將鉀離子驅(qū)入半導(dǎo)體，改變其導(dǎo)電性。鹽水層降低了設(shè)備的工作電壓，因此可以用普通的1.5伏電池供電。但它確實(shí)會(huì)使設(shè)備更不耐用。“我想我們可以讓它穩(wěn)定工作兩個(gè)月，也許，”Sundaram說。 “一個(gè)選擇是用介于固體和液體之間的東西代替液體，如水凝膠。 但這是我們以后會(huì)做工作的。這只是最初的版本。““我對(duì)系統(tǒng)的概念和實(shí)現(xiàn)印象深刻，”德國斯圖加特馬克斯·普朗克固體研究所有機(jī)電子研究小組負(fù)責(zé)人Hagen Klauk說，“通過將所有材料（包括固體和液體）沉積在3D打印中，整個(gè)光電子系統(tǒng)（包括基板和所有部件）的印刷方式肯定是新穎、有趣而有用的，功能系統(tǒng)的演示證實(shí)該方法也是可行的。在簡(jiǎn)易的制造環(huán)境中，沒有可用的專用襯底材料時(shí)，這種即時(shí)制造基底的方法是非常有用的。
”未來的路還很長(zhǎng)Sundaram表示，他們目前只是借鑒了變色甲殼蟲的簡(jiǎn)單防御性特征，作為“變色”概念的證明。同時(shí)，研究人員將光學(xué)變換性能構(gòu)建成柔性的印刷基板。Sundaram說，“我們想做這個(gè)傳感器處理驅(qū)動(dòng)，只是傳感器驅(qū)動(dòng)是3D打印中的最大的問題之一，光學(xué)驅(qū)動(dòng)實(shí)際上更容易一點(diǎn)。”據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)采用MultiFab 3D 打印機(jī)完成材料的制作，其中借助了銅和陶瓷加熱器來幫助沉積半導(dǎo)體塑料：塑料懸浮在噴涂在設(shè)備表面上的流體中，加熱器使流體蒸發(fā)，留下一層僅 200 納米厚的塑料。現(xiàn)階段，他們已經(jīng)設(shè)法將甲蟲的光學(xué)變化功能復(fù)制到了單一的 3D 打印電路板上。而除了機(jī)器人外，該技術(shù)同樣能夠應(yīng)用于例如飛機(jī)、橋梁等設(shè)施。在討論該生物仿真技術(shù)的生物靈感時(shí)，研究員Sundaram說話非常謙虛，他告訴人們，團(tuán)隊(duì)僅僅是從大自然中吸取了一部分靈感，未來團(tuán)隊(duì)的路還是很長(zhǎng)。同時(shí)，研究員Sundaram還告訴TechCrunch“我們明白我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于大自然，真正完全復(fù)制大自然中的生物物種幾乎是一件不可能完成的任務(wù)。”他說，“就像是看月亮抑或者是試圖爬上樹頂一樣，即使我們從變色甲殼蟲處得到了靈感，但其實(shí)真正要在機(jī)器人皮膚上實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能還有好長(zhǎng)的一段路要走。‘變色皮膚’的功能是很酷炫的，實(shí)現(xiàn)所有的功能真的很困難。”