弹性导体新材料，可赋予机器人人类皮肤功能

近日，一个日本科学家团队开发出一种可用于印刷的新型弹性导体，该导体在拉长至原长的 5 倍后仍可保持高导电性。

此种新型材料被制成膏状的油墨，可以在纺织品和橡胶表面打印成各式各样的图案，作为可拉伸导线为具有传感功能的可穿戴设备导电，也可为机器人的体表赋予类似人类皮肤的功能。

图 | 用印刷的方法制成的弹性导体在拉力作用下仍可维持高导电性。即使弹性导体被拉长到原来长度（上方图片）的 5 倍，通过其导电的发光二极管（LED）仍保持高亮发光

用于监测人们健康水平或心率，肌肉活动等身体状况的可穿戴设备正在发展之中，一些产品也早已面向市场。除了目前已有生产加工领域之外，健康护理和零售等领域的机器人时代也即将来临，这些发展都意味着弹性导体未来的应用将急剧增加。

“显然，对可穿戴设备和机器人的需求在持续增长，”主导研究的东京大学工学系研究科 Takao Someya（染谷隆夫）教授说道，“我们觉得能印刷的弹性导体对于实现这些产品的发展，满足人们的需求尤为重要”。

为了达到高拉伸性和高导电性，研究者们使用 4 种材料混合制作弹性导体。目前用于印刷的导电膏体由微米级的银（Ag）屑、氟橡胶、含氟表面活性剂（用于减小液体表面张力的材料）和用于溶解氟橡胶的有机溶剂组成。

目前的导电膏体性能比他们在 2015 年研制的弹性导体有了明显的提高。

图 | 来自东京大学 Someya（染谷）团队。将微米级的银屑与其他材料混合得到复合膏体，用此膏体进行印刷就可以获得银微粒，而原本的膏体材料里并不包含银微粒。这些排列紧密的银微粒将分散在氟橡胶中的银屑连接了起来

未拉伸前，弹性导体的电导率为 4972 西门子/厘米，按照一般标准是非常高的电导率。拉长至原长三倍后，电导率为 1070 西门子/厘米，几乎为之前所开发的导体电导率（192 西门子/厘米）的 6 倍。拉长至原长的5倍后，新导体仍然维持了高达 935 西门子/厘米的电导率，在同样程度的拉伸中，这是最高的纪录。

经过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的放大，研究者发现导体性能优异的原因是银（Ag）微粒的自发形成，这些银微粒仅有银屑尺寸的千分之一，在复合导电膏体印刷并加热之后均匀地散布在氟橡胶中的银屑之间。

科学家们还发现通过调整某些变量，比如氟橡胶的分子量，可以控制银微粒的数量和分布，而加入表面活性剂和加热可以提高微粒形成的速度并影响微粒的尺寸。

图 | 来自东京大学 Someya（染谷）团队。这个手套的每一个指尖上压力传感器都与一个 LED 连通，LED 的亮度随着指尖的压力变化而变化。这种手套可以用来感知难以检测的压力的大小

为了展现这种导体的可行性，科学家完全用印刷的方法制作了可拉伸的压力传感器和温度传感器，并与纺织品上的弹性导体连接起来，这些传感器可以感受微弱的力,并能测量接近于室温和体温的温度，并且在被拉伸到原长度的 3.5 倍时仍给出精准的测量结果。

这样的性能使它适用于贴身的运动服装的手肘和膝盖等部位，或是机械手变形较大的关节处。

这种新型材料经久耐用，并且适合高产量的印刷方式，如孔板印刷和丝网印刷等大面积印刷，因而易于安装；其印刷过程中产生的银微粒又为服饰、机器人和可变形电子器件等领域的许多应用提供了更为经济的解决方案。

该团队目前正在寻找比银屑成本更低的材料，同时也着眼于其他的有机聚合物，如无氟橡胶，也在进一步探寻各种不同的材料组合和处理方法制作类似的高性能弹性材料。

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编辑：任师傅

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