融合电子与生物学,看3D打印仿生眼背后的3D打印技术

不久前,美国明尼苏达大学Michael McAlpine研究团队在《先进材料》(Advanced Materials)期刊上发表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究团队通过一种复合材料3D打印机以及导电的油墨材料,在玻璃半球的自由曲面上制造出图像传感阵列。

本期,3D科学谷就与谷友一起来了解明尼苏达大学团队在制造3D打印仿生眼时所使用的3D打印技术。

融合电子与生物学,看3D打印仿生眼背后的3D打印技术 电子技术与生物学相融合

McAlpine研究团队所从事的领域属于将生物电子学领域,他们通过复合材料3D打印技术,在自由曲面和基底上制造打印纳米级的电子油墨。通过3D打印技术,研究团队能够将有源电子设备与生物学相结合,制造自由几何形状的仿生器官,例如仿生眼、智能假肢。

融合电子与生物学,看3D打印仿生眼背后的3D打印技术

明尼苏达大学Michael McAlpine的团队正在研究多种3D打印材料,用于制造生物电子装置,左边第一张图即为前不久发布的3D打印仿生眼。图片来源:明尼苏达大学。

生物体的器官、组织是柔性的、三维的,并且对温度敏感,而通常功能电子器件是平面的、刚性的,如果通过常用技术来制造仿生电子装置,与生物学(人体)的器官、组织的特性并不相符。

3D科学谷了解到,明尼苏达大学研究团队解决以上问题的方式是使用3D打印技术,提供自由几何形状的制造。该方法解决了许多可能性:(1)使用3D打印实现个性化的多功能设备架构; (2)采用纳米油墨作为引入各种材料功能的有利途径; (3)3D打印一系列功能性墨水,以实现从生物到电子的各种材料的交织。

3D打印提供了一个多尺度平台,可以结合功能纳米级墨水,创建微尺度特征,并最终创建宏观打印对象。

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明尼苏达大学研究团队表示该技术从研究阶段到走向应用还将精力很长的道路,但目前已可以比较清晰的看到这类3D打印技术在制造功能电子产品时所体现的优势。

以明尼苏达州大学已发布的3D打印仿生眼为例,这款仿生眼实际上是一款由3D打印技术制造的半导体器件,研究团队表示3D打印仿生眼能够实现25.3%的光电转化率,堪比用传统微电子制造方式制造的半导体器件,但是3D打印技术能够在自由曲面上制造电子器件,这是传统微电子技术难以实现的。

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根据3D科学谷的市场研究,传统硅基微电子技术是以大规模集成电路为基础发展起来的技术。这种技术主要是指在半导体材料芯片上通过微细加工制作电子电路。在过去50年,硅基半导体微电子技术占据了电子技术的绝对主导地位,但随着电路尺寸进入20纳米时代,集成电路加工的工艺越来越复杂,所需要的投资规模巨大,全球硅基集成电路制造垄断在少数几家大公司手中。

而包括3D打印技术在内的印刷电子技术是新兴的电子制造技术。直接在基底上同时印制出电路与元件,无需后续插入元件是印刷电子技术的典型优势,但是该技术目前不具备传统硅基微电子制造技术的高精度与高密度,材料性能比传统微电子制造技术所依赖的晶体材料差,电子行业业内有专家认为目前看来该技术是传统电子技术的补充。

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