《NPJ Flex. Electron.》基于气溶胶喷射打印技术打造低功耗可穿戴柔性触觉显示器

引言

在智能穿戴设备、虚拟现实、机器人交互等领域，触觉显示技术扮演着越来越重要的角色。然而，传统的触觉显示器常常面临成本高、尺寸庞大、功耗大、集成复杂等诸多挑战，极大限制了其在便携式、柔性化设备中的应用。近期，一项创新性研究成功开发出一款基于“热-气动”原理的低电压、可穿戴式触觉显示器，为未来智能触觉界面打开了新的可能。本文将为您详细解读其中的关键技术——气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术在制造中的核心作用。

正文

背景

触觉界面作为人机交互的重要桥梁，提供了直接、自然的触感反馈。传统的电子触觉设备，比如震动马达或压力传感器，虽然在某些场景中表现良好，但多存在以下不足：

• 体积庞大，难以实现高密度和微型化

• 功耗较高，续航能力受限

• 控制系统复杂，难以灵活集成到柔性材料中

• 非直观、单一的刺激方式，难以模拟复杂触感

因此，如何开发一种低功耗、柔性、微型化、易于大规模生产的触觉显示方案，成为业界的热点。

创新方案

该研究团队提出了一种新颖的“热-气动”触觉显示技术，其核心原理是利用微型加热元件（如导电墨水局部加热）加热微腔中的空气，从而使空气膨胀，产生一定的机械压力，作用于皮肤，从而形成触觉感受。关掉加热后，空气冷却回缩，刺激结束。

1）材料选择

• 导电材料：采用气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术沉积银纳米粒子墨水（粒径30-40nm），实现微细导线和加热元件；

• 基底材料：使用聚酰亚胺（Kapton）薄膜，柔韧且耐高温；

• 传导连接：通过银导电材料实现导线与电子器件连接；

• 绝热层与支撑：引入PDMS薄膜作为弹性隔离层保护敏感结构。

这些材料经过合理的设计和优化，确保设备具有良好的可靠性和耐久性。

2）制造工艺

• 利用气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术在柔性基底上精准沉积导电墨水，形成微型加热器。

• 通过激光切割等技术定义微气腔结构；

• 使用等离子体粘合技术实现多层结构的封装；

• 最终装配在可弯曲、弹性的软性载体（如手指贴片或手套）上。

此类制造流程易于规模化，符合工业生产的需求。

3）该方案优点显而易见：

• 低电压操作（几伏特即可实现）

• 可穿戴、柔性化设计，易于集成到手套、手指贴片等装备中

• 结构简单，无液体或气体仓储的复杂管路，便于微型化和大规模生产

• 通过智能控制，实现多点、多模态的触觉刺激

然而，要实现这样复杂的微结构精密制造，关键在于高分辨率、微型化的制造工艺——这也是AJP技术展现实力的舞台。

AJP在触觉显示制造中的具体应用过程

在这项研究中，AJP主要完成以下几个关键步骤：

01微细导电路径的打印

利用AJP在Kapton薄膜上直接喷射银纳米粒子墨水，形成微型加热线圈（线宽55微米，厚度2微米左右）

经过高温烧结，形成导电性能优良、响应快的微型电阻，用于局部加热控制

02高精度阻值设置

通过调节喷射打印参数（如喷射速度、气流比例、墨水浓度）控制导线宽度和厚度，从而精准调节电阻值（约27Ω）

这样做保证了加热的效率和响应时间，有助于实现快速、精细的气动控制

03多层结构的叠层制造

先打印导线，随后在Kapton上紫外激光切割，形成空气腔体的“洞”结构

在孔洞表面喷涂薄层PDMS，形成弹性膜和空气密封结构，为气体膨胀提供弹性支承

04封装及结构组装

利用等离子体处理加强Kapton与PDMS之间的粘结，确保密封不泄露

组装完成后，将整个结构集成到柔性基底，并实现微调和测试

05大规模制造的潜力

所有关键工艺都可通过工业化定制的AJP设备实现，适合批量生产

相关电子元件（如微型电阻、传感器）可以在柔性PCB上同步制造，形成高度集成的一体化触觉阵列

通过AJP实现的高精度导线打印，极大提升了微结构的质量和一致性，为设备的可靠性和响应速度提供了坚实保障。

图文导读

图1.热气动触觉显示技术概述。用于激活显示单元的热气动驱动策略和b触觉显示结构；c用于制造显示器的制造工艺示意图；d第一个开发的原型的光学图像，该原型是由使用银纳米颗粒墨水直接在Kapton薄膜、孔Kapton间隔片和顶部PDMS活动膜上打印的电阻器制成的；E高分辨率图像的蛇形电阻与放大视图的单一打印线，和g相应的共聚焦轮廓术图像。h打印线条厚度分布图，对应于g中的虚线，最大厚度约为2.4µm。

图2.触觉显示器首个原型的热电特性。

图3.先进的原型设计和位移特性。

图4.先进的原型力特性表征。a 各设备间在施加力方面的重复性。在从 5 个不同的显示器中选取的 5 个点上，按时间平均得到的力值，以平均值（黑色线）和标准偏差（彩色边框）的形式报告，分别对应于所测试的每个激活信号。所有实验均在平均功率 1 瓦的情况下进行（完整的信号在补充图 S9a 中报告）；b、c 各设备间在施加力方面的重复性。使用与图 2 和“设备特性表征”部分中所解释的相同指标对新原型进行表征。d 激活信号在不同脉冲持续时间下的力响应——采样频率 20 千赫兹，通过 4 个点的移动平均滤波处理。e 在 10 毫秒 - 10 赫兹和 25 毫秒 - 1 赫兹的激活信号情况下，力的峰值到峰值和平均响应，功率范围从 100 至 1200 毫瓦。

图5.对受试者进行的可穿戴触觉显示演示。a 控制系统的示意图，其主要组件包括用于通过功率监测器 MAX4210 实现闭环控制的运算放大器以及无线通信系统；b 集成了电子板并将其整合到手镯中的完整可穿戴平台，以及附着在用户指尖上的触觉显示屏；c 用于对自愿受试者进行测试的三个步骤及其相关模式的示例；d 触觉显示屏上六个点中的四个按顺序激活以重现盲文字符“T”（每个点激活 500 毫秒，因为激活信号为 10 毫秒 - 10 赫兹），通过合并 4 个热图像（每个激活点对应一个图像）来生成“T”图案的热图像；e、f 10 名受试者在两点识别测试和动态模式识别测试中平均正确答案的百分比，平均成功率分别为 82%和 85%；g 在 840 毫瓦标称峰值功率的情况下，盲文字符识别混淆矩阵，成功率为 83%。

结语

通过气溶胶喷射打印（AJP）技术团队能够在柔性基材如Kapton薄膜上沉积细线宽约55微米的导电路径，实现高分辨率的阵列布局，为触觉显示的高精度和高密度提供了技术基础。同时，该技术的非接触性和多材料的兼容性，还使得复杂结构的集成更加便利，促进了器件整体轻量化和结构紧凑化。

总之，气溶胶喷射打印（AJP）技术在推动微型化、柔性化电子制造中的作用无可替代，为未来智能、便携、低能耗的触觉界面开发提供了强有力的技术支撑。该方法的创新应用不仅彰显了其在微电子制造中的优势，更开启了柔性电子与微机械集成的新时代，为智能穿戴设备的广泛推广奠定了坚实的基础。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00426-3

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