上海交大谷国迎/江西科技师范大学卢宝阳Nat.Rev.Mater.综述:3D打印PEDOT:PSS用于软体机器人

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

软体机器人是一类将生物概念与机器人相融合的系统，兼具环境顺应性与灵巧运动功能。其中，具有本征柔性的导电材料（例如导电聚合物）可以辅助软体机器人实现感知、控制和作动等复杂功能。然而，现有柔性导电聚合物在材料制备和制造技术等方面难以满足其在软体机器人系统中的集成应用需求。近年来，结合聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）导电聚合物与先进3D打印技术为解决上述挑战提供了新思路，也为软物质工程和软体机器人学带来前所未有的机遇。

近日，上海交通大学谷国迎教授与江西科技师范大学卢宝阳教授等人在 Nature Reviews Materials 国际期刊发表题为“3D-printed PEDOT:PSS for soft robotics”的综述文章，系统回顾了利用3D打印技术制造PEDOT:PSS基材料应用于软体机器人的研究现状，从材料、制造、应用三者的相互关系出发，重点聚焦可3D打印PEDOT:PSS基墨水的跨尺度设计机理与性能评估、导电聚合物3D打印技术演化与制造策略以及在新兴的软体机器人系统中的应用，并讨论了3D打印PEDOT:PSS在高性能墨水、先进打印技术和系统集成方面存在的机遇与挑战，旨在推进软体机器人的技术进步与应用发展。

论文截图

图1 3D打印PEDOT:PSS用于软体机器人技术路线图

PEDOT:PSS基前驱体墨水需要合理设计以满足3D打印结构的需求。典型的设计策略包括分子工程(例如分子结构设计和链-链相互作用)、跨尺度相工程(从纳米、微米到毫米尺度)以及形态调控。这些策略借助多种分子、多个相区之间的相互作用重新设计组分并成功指导制备了多种墨水系统，包括纯PEDOT:PSS墨水以及PEDOT:PSS分别与二次掺杂剂、粘弹性聚合物、导电填料和光敏聚合物的复合墨水。在本节中，我们简要总结了各种可3D打印的PEDOT:PSS基墨水（图2），并讨论了相应的设计原则及内部机理。

图2 可3D打印PEDOT:PSS墨水设计策略及内部相互作用

3D打印作为一种低成本和可扩展的数字增材制造技术，根据不同成型机理可以细分为基于针头引导的打印和基于光聚合的打印。在本节中，我们提出了墨水可打印性的评估指南，聚焦流变学和光聚合性质，以表征、评估和比较不同墨水组分，加速墨水组分的设计迭代和打印技术的改进优化（图3）。同时，我们回顾并分析了不同打印方法包括弯月面引导打印（MGP）、喷墨打印（IJP）、墨水直写（DIW）、立体光刻（SLA）、双光子聚合（TPP）以及数字光处理（DLP）的原理特点、技术演变及发展潜力（图4）。

图3 打印技术概述及PEDOT:PSS基墨水可打印性评估

图4 基于针头引导与基于光聚合的3D打印技术典型案例

3D打印PEDOT:PSS技术为软体机器人系统定制具有生物兼容性和刺激响应性的导电复合结构。在本节中，我们总结了其在以生物电子、软体传感器及作动器为代表的软体机器人系统中的技术优势、应用现状及关键问题（图5）。

图5 3D打印PEDOT:PSS在软体机器人系统中的应用案例

3D打印PEDOT:PSS在面向人机交互的软体机器人中展现出独特优势，其中机遇和挑战并存。高性能PEDOT:PSS材料促进了制造原理开发及机器人自主功能集成，3D打印则为PEDOT:PSS基材料提供了自由设计空间和任务导向的结构制造能力。该技术将从原理、器件和系统集成多个层面拓展软体机器人技术的边界。在本节中，我们从高性能墨水设计、先进制造技术和鲁棒集成与系统应用三个方面对未来方向和软体机器人领域的潜在应用进行了讨论与展望。

图6 3D打印PEDOT:PSS未来方向及其在软体机器人领域的前瞻应用

上海交通大学博士研究生李金昊和江西科技师范大学硕士研究生曹杰为论文的共同第一作者，上海交通大学谷国迎教授和江西科技师范大学卢宝阳教授为论文共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金，上海市科委“科技创新行动计划”等项目的资助。