由密歇根州立大学曹长勇领导的研究团队利用专业的打印技术、创新材料和数百年历史的折纸艺术创造出了可伸缩的能量存储设备。
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微结构起皱的4d打印可拉伸超级电容器可以为运动员所穿的智能运动衫提供动力。曹长勇提供。开发这种可伸缩能源设备将有助于现有的可穿戴技术，如智能手表，变得更加灵活、舒适和可靠。但是，曹原，软件机械与电子实验室的主任，也展望了他的研究赋予的新的可能性。
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例如，他正在研发用于监控运动员的智能纺织品。在比赛期间，电子皮肤(为使用假肢的人恢复一些触觉)和智能植入物(可以跟踪病人);健康的同时帮助支持它。
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对于植入式设备来说，你需要能与软组织集成并适应身体运动的电子器件。包装学院机械工程系、电子工程系和计算机工程系的助理教授曹说。他的团队也在研究他所谓的植物可穿戴设备。这是农作物的传感器，可以随着植物的生长和移动而伸展和弯曲。
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植物会在24小时内改变它们的方向和形状。时间，即使没有风或环境的变化，曹说。这是非常令人惊讶和有趣的，所以我们迫切希望开发能够适应不同生长条件的传感器。
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MSU助理教授曹长勇为了给这些装置提供动力，曹原和他的同事们正在制造收割机，这是一种能将运动能量转化为电能的电子装置。例如，今年夏天曹原领导了一个团队，他们建造了传感器来探测可以由风驱动的森林火灾。这样的传感器可以让护林员在无需更换电池或充电的情况下监控大片森林。
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这些能量收集电路的关键组成部分是一种被称为超级电容器的组件，它利用电化学技术像电池一样充放电，但速度要快得多。
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曹国华的团队已经开发出一种制造超级电容器的方法，该方法可以在不影响其电化学性能的情况下延伸到新的极限。这种方法是一种所谓的4D打印，也就是创造随时间而变化的3D结构。该团队于去年12月在被广泛引用的《先进材料技术》(Advanced Materials Technologies)杂志上在线报告了他们的研究成果。
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该团队使用喷墨打印机将特殊配方的油墨直接沉积到可拉伸聚合物基板上，就像喷墨打印机将油墨分布在纸上一样。多亏了两项创新，这些印刷材料构成了弹性超级电容器的基础。
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首先，这种墨水采用了导电碳材料的混合，以满足团队所期望的电化学和机械性能。它既含有纳米级的碳管，也含有极薄的碳薄片，即还原氧化石墨烯。
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碳纳米管的电化学性能不如石墨烯，但石墨烯在油墨溶剂中溶解度不好，难以形成稳定的油墨。曹说。将它们与导电聚合物添加剂结合在一起，我们得到了最好的两个世界，良好的附着力，机械坚固性，优越的导电性以及印刷相容性。
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自组装的褶皱设计的新超级电容器帮助他们保持弹性，同时保持他们的电化学性能。由先进材料技术公司提供。第二个创新是一种科学折纸形式。研究人员知道，如果他们能让墨水干燥成褶皱的图案，就像手风琴一样，这将有助于它在一生中保持弹性。
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为了自动完成这种图案，他们将聚合物基板拉伸，并在上面打印出自己定制的墨水。当油墨在合适的条件下固化时，研究人员将油墨底部释放，让其松弛回到最初的形状，然后基本上就可以将印刷薄膜折叠成预期的形状。
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我们正在介绍一种可能是更好的工艺来制造一种易于拉伸的自供电系统，曹说。我们已经演示了材料、工艺以及如何将其整合起来。
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这项工作得到了美国国家科学基金会和美国农业部、国家食品和农业研究所的部分支持。
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其他团队成员包括密歇根州立大学曹氏实验室的周逸豪，杜克大学的杰弗里·t·格拉斯和查尔斯·b·帕克，以及橡树岭国家实验室的Pooran Joshi和Amit Naskar。
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(媒体注意:请在网上报道中附上原文的链接:https://doi.org/10.1002/admt.202001055)
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://msutoday.msu.edu/news/2020/powering-up-stretchy-technology