澳门大学李奕雯团队：数字光处理3D打印柔性器件：执行器、传感器与能源器件研究进展

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在医疗设备、人机交互系统等领域，柔性器件的重要性与日俱增，然而传统制造方法如铸造、锻造和光刻等存在几何形状受限、成本高、工艺繁琐、制造时间长、产生浪费且功能单一等问题，同时缺乏兼具易加工性、机械耐久性、生物相容性等先进功能的兼容材料，难以满足日益增长的柔性器件需求。来自澳门大学的Iek Man Lei教授团队综述了数字光处理（DLP）3D打印在柔性器件领域的研究进展，重点聚焦于软执行器、柔性传感器和柔性能源器件，探讨了DLP打印技术及可打印材料的发展对这些器件的结构设计、灵敏度、机械性能和整体功能的提升作用，提出了DLP打印技术在柔性器件领域面临的挑战及未来发展前景的观点。相关工作以“Digital light processing 3D printing of flexible devices: actuators, sensors and energy devices”为题发表在《Microsystems & Nanoengineering》上。第一作者为澳门大学博士研究生易玖宏，通讯作者为澳门大学李奕雯教授。

1. DLP 3D打印柔性器件概述及自下而上的打印工艺流程图
展示了DLP 3D打印技术的核心流程（CAD设计→切片分层→逐层光固化）及关键组件（投影仪、树脂槽、构建平台）。研究对象涵盖可打印材料体系（水凝胶、弹性体、离子凝胶、液态金属等）及目标器件类型（软执行器、柔性传感器、能源器件）。结果表明，DLP凭借高分辨率（可达1 μm）、快速打印（优于逐点固化的SLA）和多材料兼容性，显著提升了柔性器件的结构复杂度与功能集成度。

图1. DLP 3D打印柔性器件（包括软执行器、柔性传感器和能源器件）概述及自下而上的打印工艺流程图。

2. DLP打印软气动执行器
采用灰度数字光处理（g-DLP）、多材料打印及离心力辅助等研究方法，探究了气动执行器的结构设计与性能调控。针对g-DLP，通过灰度光强控制树脂交联密度，制备出非均质刚度执行器，可实现拉伸/收缩/弯曲/扭转等多模式运动；对于多材料打印，结合刚性-柔性复合结构（如弹性体基体+导电水凝胶传感电路），开发出兼具驱动与感知功能的集成器件。结果表明，离心多材料技术通过非接触式清洗避免材料污染，成功制备五材料复合执行器，集成弯曲、压力、温度传感能力。

图2. DLP打印软气动执行器。

3. 基于液晶弹性体（LCEs）的DLP打印类肌肉执行器
利用剪切力诱导取向、光衰减梯度调控及溶剂拉伸等研究方法，优化LCEs执行器的介晶排列与驱动性能。通过树脂托盘旋转产生的剪切力，实现LCEs单畴取向，制备出可举重40 g的热响应执行器；借助平面光衰减法，在25秒内构建交联密度梯度，引导介晶定向排列，实现定制化弯曲/扭转运动；通过溶剂蒸发过程中拉伸处理，赋予液晶有机凝胶执行器可擦除/重编程特性。结果表明，DLP与DIW混合打印技术可构建自由站立的LCEs结构，拓展其在张力完整性系统中的应用。

图3. 基于液晶弹性体（LCEs）的DLP打印类肌肉执行器。

4. 基于形状记忆聚合物（SMPs）的DLP打印软执行器
运用双晶相设计、共价适应性网络（CANs）及机器学习逆向设计等方法，研究SMPs执行器的多形状可编程性。通过引入LCEs-SMPs复合体系，实现快速可逆形变与高刚度保持；利用CANs网络，开发出可焊接的4D打印智能夹具，支持多永久形状重构；通过冷编程技术，在室温下利用应力松弛效应实现形状设定。结果表明，机器学习算法可精准优化活性材料（SMPs）与被动材料的分布，预测执行器形变路径，误差低于5%。

图4. 基于形状记忆聚合物（SMPs）的DLP打印软执行器。

5. DLP打印柔性电阻式应变/压力传感器
通过主客体化学交联、液态金属打印及仿生结构设计等方法，开发高灵敏度电阻式传感器。利用β-环糊精-胆汁酸衍生物构建拓扑网络水凝胶，实现拉伸300%、自修复效率90%的应变传感器；通过紫外光投影10秒内固化液态金属（镓铟合金）油墨，制备出导电率10⁷ S/m的电极图案；受深海生物启发，设计空心互锁结构传感器，在30 MPa静压下灵敏度达1.74 kPa⁻¹。结果表明，生物基可回收Δ-戊内酯油墨制备的传感器，经500次循环后性能保持率超95%。

图5. DLP打印柔性电阻式应变/压力传感器。

6. DLP打印电容式应变/压力传感器及电生理电极
采用梯度结构设计、双材料集成及表面仿生图案化等方法，提升电容式传感器与电极的性能。通过打印高度梯度的离子凝胶圆顶结构，实现15.1 kPa⁻¹的灵敏度，可监测呼吸/吞咽等生理信号；利用双材料打印技术，在单次流程中构建介电层-导电水凝胶三明治结构，响应时间<50 ms；通过章鱼吸盘状/波浪形表面设计，增强电极与皮肤的贴合性，肌电图信号信噪比提升30 dB。结果表明，金电极通过阴离子辅助光化学沉积法制备，无需退火即可实现10⁷ S/m导电率，适用于长期植入式监测。

图6. DLP打印电容式应变/压力传感器及电生理电极。

7. DLP打印柔性能源器件
通过仿生绒毛结构、负泊松比辅助及晶格电极设计等方法，优化摩擦/压电纳米发电机与超级电容器性能。仿生绒毛结构TENG的表面积提升5倍，电荷密度达250 nC/cm²，同时兼具除尘功能。负泊松比结构PENG将弯曲形变转化为拉伸形变，能量转换效率提升40%。通过DLP技术和电化学氧化方法可制备基于海胆状Cu(OH)2晶格电极的可调电容超级电容器。这种三维微晶格电极的高比表面积显著提升了器件的电化学性能和机械性能。同时，随着晶格配位数的增加，电极材料的比电容和机械强度呈现同步增强的特性。类似地，DLP技术还可用于制备准固态超级电容器所用的多孔石墨烯基分级复合微晶格电极，这种跨纳米至毫米尺度的分级多孔微晶格结构，使该超级电容器同时具备高能量密度（0.008 mWh/cm2）、高面电容（57.75 mF/cm2）、优异倍率性能和长循环寿命。

图7. DLP打印柔性能源器件。

8. DLP打印柔性器件的未来展望示意图
通过技术路线图分析与挑战归纳，探讨DLP技术的发展方向。研究指出，当前瓶颈包括材料体系有限（缺乏兼具拉伸/导电/生物相容性的墨水）、制造标准化不足及复杂结构设计依赖经验试错。提出的解决方案包括：开发可见光固化生物兼容体系（如钌催化交联）、推进多材料混合打印（DLP+静电纺丝）、引入计算模拟优化晶格拓扑。结果表明，标准化工艺流程与智能化设计工具的结合，将推动DLP在柔性电子、医疗植入等领域的规模化应用。