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研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
軟體機器人是一類將生物概念與機器人相融合的系統，兼具環境順應性與靈巧運動功能。其中，具有本征柔性的導電材料（例如導電聚合物）可以輔助軟體機器人實現感知、控制和作動等復雜功能。然而，現有柔性導電聚合物在材料制備和制造技術等方面難以滿足其在軟體機器人系統中的集成應用需求。近年來，結合聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）導電聚合物與先進3D打印技術為解決上述挑戰提供了新思路，也為軟物質工程和軟體機器人學帶來前所未有的機遇。
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近日，上海交通大學谷國迎教授與江西科技師范大學盧寶陽教授等人在?Nature Reviews Materials?國際期刊發表題為“3D-printed PEDOT:PSS for soft robotics”的綜述文章，系統回顧了利用3D打印技術制造PEDOT:PSS基材料應用于軟體機器人的研究現狀，從材料、制造、應用三者的相互關系出發，重點聚焦可3D打印PEDOT:PSS基墨水的跨尺度設計機理與性能評估、導電聚合物3D打印技術演化與制造策略以及在新興的軟體機器人系統中的應用，并討論了3D打印PEDOT:PSS在高性能墨水、先進打印技術和系統集成方面存在的機遇與挑戰，旨在推進軟體機器人的技術進步與應用發展。
論文截圖
圖1?3D打印PEDOT:PSS用于軟體機器人技術路線圖
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PEDOT:PSS基前驅體墨水
PEDOT:PSS基前驅體墨水需要合理設計以滿足3D打印結構的需求。典型的設計策略包括分子工程(例如分子結構設計和鏈-鏈相互作用)、跨尺度相工程(從納米、微米到毫米尺度)以及形態調控。這些策略借助多種分子、多個相區之間的相互作用重新設計組分并成功指導制備了多種墨水系統，包括純PEDOT:PSS墨水以及PEDOT:PSS分別與二次摻雜劑、粘彈性聚合物、導電填料和光敏聚合物的復合墨水。在本節中，我們簡要總結了各種可3D打印的PEDOT:PSS基墨水（圖2），并討論了相應的設計原則及內部機理。
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圖2?可3D打印PEDOT:PSS墨水設計策略及內部相互作用
3D打印技術?
3D打印作為一種低成本和可擴展的數字增材制造技術，根據不同成型機理可以細分為基于針頭引導的打印和基于光聚合的打印。在本節中，我們提出了墨水可打印性的評估指南，聚焦流變學和光聚合性質，以表征、評估和比較不同墨水組分，加速墨水組分的設計迭代和打印技術的改進優化（圖3）。同時，我們回顧并分析了不同打印方法包括彎月面引導打印（MGP）、噴墨打印（IJP）、墨水直寫（DIW）、立體光刻（SLA）、雙光子聚合（TPP）以及數字光處理（DLP）的原理特點、技術演變及發展潛力（圖4）。
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圖3?打印技術概述及PEDOT:PSS基墨水可打印性評估
圖4?基于針頭引導與基于光聚合的3D打印技術典型案例
軟體機器人系統中的應用
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3D打印PEDOT:PSS技術為軟體機器人系統定制具有生物兼容性和刺激響應性的導電復合結構。在本節中，我們總結了其在以生物電子、軟體傳感器及作動器為代表的軟體機器人系統中的技術優勢、應用現狀及關鍵問題（圖5）。
圖5?3D打印PEDOT:PSS在軟體機器人系統中的應用案例
未來展望?
3D打印PEDOT:PSS在面向人機交互的軟體機器人中展現出獨特優勢，其中機遇和挑戰并存。高性能PEDOT:PSS材料促進了制造原理開發及機器人自主功能集成，3D打印則為PEDOT:PSS基材料提供了自由設計空間和任務導向的結構制造能力。該技術將從原理、器件和系統集成多個層面拓展軟體機器人技術的邊界。在本節中，我們從高性能墨水設計、先進制造技術和魯棒集成與系統應用三個方面對未來方向和軟體機器人領域的潛在應用進行了討論與展望。
圖6?3D打印PEDOT:PSS未來方向及其在軟體機器人領域的前瞻應用
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上海交通大學博士研究生李金昊和江西科技師范大學碩士研究生曹杰為論文的共同第一作者，上海交通大學谷國迎教授和江西科技師范大學盧寶陽教授為論文共同通訊作者。該論文得到了國家自然科學基金，上海市科委“科技創新行動計劃”等項目的資助。
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