可自修復(fù)可拉伸可3D打印印刷的液態(tài)金屬彈性體復(fù)合材料摩擦納米發(fā)電機(jī)

很難獲得柔軟且可導(dǎo)電的材料。創(chuàng)建一個(gè)可以承受損害的電路甚至更難治愈。但是，對(duì)于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員來說，這類創(chuàng)新只是辦公室的另一天。

在最近發(fā)表的兩篇論文中，CMU研究人員團(tuán)隊(duì)在可穿戴電子設(shè)備和其他軟機(jī)方面取得了長足的進(jìn)步。卡梅爾·馬吉迪（Carmel Majidi）的軟機(jī)實(shí)驗(yàn)室（SML）長期從事這一領(lǐng)域的工作，這兩篇論文反映了（Advanced Materials，"液態(tài)金屬夾雜物的受控組裝作為多功能復(fù)合材料的通用方法"和高級(jí)材料技術(shù)，"可超伸，耐磨"）。沉積液態(tài)金屬彈性體復(fù)合材料的摩擦電納米發(fā)電機(jī)"）。

2018年，機(jī)械工程學(xué)副教授馬吉迪（Majidi）和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種能夠自我修復(fù)的電路，也就是說，即使在切斷或損壞主要路徑后，它也可以繼續(xù)工作。

現(xiàn)在，他們創(chuàng)造了一種由液態(tài)金屬制成的材料，該材料也可以物理修復(fù)損壞。當(dāng)將兩片液態(tài)金屬電復(fù)合材料放置在一起時(shí)，它們可以像切割后皮膚愈合一樣融合在一起。這項(xiàng)創(chuàng)新使電路可以承受更大的損壞，因?yàn)樗鼈兛梢院唵蔚貙?duì)其進(jìn)行修復(fù)。

使用鎵基液態(tài)金屬液滴的軟復(fù)合材料可能在多功能材料工程中產(chǎn)生變革性影響?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種合成方法，該方法可合成具有高拉伸性，可忽略的機(jī)電耦合，焦耳熱修復(fù)和可再加工性以及可印刷的電氣和機(jī)械自愈材料。這種控制裝配的方法代表了一種廣泛使用的技術(shù)，用于創(chuàng)建具有前所未有的多功能性的新型液態(tài)金屬復(fù)合材料。

可修復(fù)、可重寫電路

SML使用由鎵和銦合金制成的液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)了這些進(jìn)步。作者說，這種金屬比汞等其他液態(tài)金屬更安全。這些發(fā)現(xiàn)使該技術(shù)可以擴(kuò)展到其他聚合物，包括凝膠。這擴(kuò)大了他們的研究范圍和影響。實(shí)際上，由液態(tài)金屬制成的電路可以擦除并重新繪制，因此具有很高的適應(yīng)性。

LM復(fù)合材料已證明的功能可以推廣到其他具有附加功能的基體材料中。具體而言，使用可生物降解/可再加工的塑料（聚己內(nèi)酯）合成復(fù)合材料，水凝膠（聚乙烯醇）和可加工的橡膠（苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯衍生物）具有廣泛的適用性。這種方法可以合成復(fù)合材料：i）具有高拉伸性和可忽略不計(jì)的機(jī)電耦合（> 600％應(yīng)變）；ii）具有焦耳加熱的愈合和可再加工性；iii）具有電氣和機(jī)械自愈功能；iv）可以打印。這種控制裝配的方法代表了一種廣泛適用的技術(shù)，用于創(chuàng)建具有前所未有的多功能性的新型LM復(fù)合材料。

可3D打印

這些新材料也可以3D打印。機(jī)械工程學(xué)教授Sarah Bergbreiter與Majidi和SML一起使用新的制造工藝來印刷這些材料。創(chuàng)建這些自愈和可重寫電路的3D結(jié)構(gòu)將廣泛地?cái)U(kuò)展應(yīng)用范圍。

沉淀的液態(tài)金屬彈性體摩擦納米發(fā)電機(jī)

一種這樣的應(yīng)用是能量收集?？梢允褂脙蓚€(gè)表面之間的接觸來產(chǎn)生電能。想象一下，例如，當(dāng)您用氣球摩擦它時(shí)，使頭發(fā)直立的電。相同的原理可以應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備，從而使它們可以從人體運(yùn)動(dòng)中獲取能量。

沉淀的LM彈性體TENG（SLM-TENG）具有超高的可拉伸性（應(yīng)變極限> 500％應(yīng)變），類似皮膚的柔韌性（模量< 60 kPa），可靠的設(shè)備穩(wěn)定性（> 10000次循環(huán)）和可觀的電輸出性能（最大峰值功率密度= 1 mW cm -2）。SLM-TENG可以與高彈性可拉伸織物集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)與可穿戴電子設(shè)備的廣泛集成?？缮煺骨铱纱┐鞯腟LM-TENG可以通過貼在膝蓋上或集成到運(yùn)動(dòng)服中的貼片從人體運(yùn)動(dòng)中獲取能量。在跑步機(jī)上運(yùn)行2.2分鐘后，此車載式TENG設(shè)備可產(chǎn)生足夠的電能，為可穿戴計(jì)算設(shè)備（帶數(shù)字顯示的溫濕度計(jì)）完全供電。

高導(dǎo)電性

此外，液態(tài)金屬具有高導(dǎo)電性，因此它們可以輕松產(chǎn)生大量能量。并且，由于電子設(shè)備柔軟且可拉伸，因此可以很容易地將它們集成到衣服中。

這是Majidi的團(tuán)隊(duì)第一次能夠使用其復(fù)合材料來產(chǎn)生能量。當(dāng)研究人員將這種材料添加到兩條運(yùn)動(dòng)短褲中時(shí)，他們能夠從佩戴者的運(yùn)動(dòng)中收集到足夠的能量，從而為帶有數(shù)字顯示（小型可穿戴計(jì)算設(shè)備）的溫濕度計(jì)傳感器提供動(dòng)力。

這項(xiàng)研究的應(yīng)用是深遠(yuǎn)的。作者說，它的用途可能包括受生物啟發(fā)的機(jī)器人技術(shù)，人機(jī)交互，可穿戴計(jì)算和太陽能電池。這些軟機(jī)器人將具有高度的適應(yīng)性和耐用性，可廣泛應(yīng)用。