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

很難獲得柔軟且可導電的材料。創(chuàng)建一個可以承受損害的電路甚至更難治愈。但是，對于卡內(nèi)基梅隆大學的研究人員來說，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研究人員團隊在可穿戴電子設備和其他軟機方面取得了長足的進步?？窢枴ゑR吉迪（Carmel Majidi）的軟機實驗室（SML）長期從事這一領域的工作，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合材料的通用方法"和高級材料技術，"可超伸，耐磨"）。沉積液態(tài)金屬彈性體復合材料的摩擦電納米發(fā)電機"）。

2018年，機械工程學副教授馬吉迪（Majidi）和他的團隊創(chuàng)造了一種能夠自我修復的電路，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損壞。當將兩片液態(tài)金屬電復合材料放置在一起時，它們可以像切割后皮膚愈合一樣融合在一起。這項創(chuàng)新使電路可以承受更大的損壞，因為它們可以簡單地對其進行修復。

使用鎵基液態(tài)金屬液滴的軟復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，可忽略的機電耦合，焦耳熱修復和可再加工性以及可印刷的電氣和機械自愈材料。這種控制裝配的方法代表了一種廣泛使用的技術，用于創(chuàng)建具有前所未有的多功能性的新型液態(tài)金屬復合材料。

可修復、可重寫電路

SML使用由鎵和銦合金制成的液態(tài)金屬實現(xiàn)了這些進步。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)使該技術可以擴展到其他聚合物，包括凝膠。這擴大了他們的研究范圍和影響。實際上，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性。

LM復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合材料：i）具有高拉伸性和可忽略不計的機電耦合（> 600％應變）；ii）具有焦耳加熱的愈合和可再加工性；iii）具有電氣和機械自愈功能；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，用于創(chuàng)建具有前所未有的多功能性的新型LM復合材料。

可3D打印

這些新材料也可以3D打印。機械工程學教授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結構將廣泛地擴展應用范圍。

沉淀的液態(tài)金屬彈性體摩擦納米發(fā)電機

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

沉淀的LM彈性體TENG（SLM-TENG）具有超高的可拉伸性（應變極限> 500％應變），類似皮膚的柔韌性（模量< 60 kPa），可靠的設備穩(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，從而實現(xiàn)與可穿戴電子設備的廣泛集成。可伸展且可穿戴的SLM-TENG可以通過貼在膝蓋上或集成到運動服中的貼片從人體運動中獲取能量。在跑步機上運行2.2分鐘后，此車載式TENG設備可產(chǎn)生足夠的電能，為可穿戴計算設備（帶數(shù)字顯示的溫濕度計）完全供電。

高導電性

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

這是Majidi的團隊第一次能夠使用其復合材料來產(chǎn)生能量。當研究人員將這種材料添加到兩條運動短褲中時，他們能夠從佩戴者的運動中收集到足夠的能量，從而為帶有數(shù)字顯示（小型可穿戴計算設備）的溫濕度計傳感器提供動力。

這項研究的應用是深遠的。作者說，它的用途可能包括受生物啟發(fā)的機器人技術，人機交互，可穿戴計算和太陽能電池。這些軟機器人將具有高度的適應性和耐用性，可廣泛應用。