研究背景

柔性和可拉伸的电致发光(EL)电子器件的出现使无数的应用取得了技术进步，如信息加密，智能电子皮肤，软机器人，和光通信。在这些电致发光器件中，交流电致发光(ACEL) 器件可以说是开发可伸缩器件的最合适的候选者之一。它们不仅具有简单的结构，有前途的延展性和坚固性，适用于恶劣环境的应用，而且与有机发光二极管制造的气相沉积相比，制造工艺相对简单。目前，柔性ACEL器件通常是通过多层复合(即丝网印刷)制造的，其中EL荧光粉(如ZnS:Cu点)层被夹在两个可拉伸的电极之间。然而，这种技术所需的一系列步骤和昂贵的工具(即面具和精致的工具)可能会限制其在快速原型设计和定制方面的应用。随着对柔性电致发光器件创新的需求不断增加，因此迫切需要一种简单、易得和可定制的制造策略。

另一方面，多材料3D打印是一种新兴的高通量和可编程的制造技术，能够用各种功能性粘弹性材料创造出多成分的二维和三维复杂物体，为实现这一目标提供了一个可行的策略。然而，尽管最近在3D打印电子学方面取得了进展，如显示器、可穿戴电子学、固态照明和生物医学电子学，但通过多材料3D打印制造复杂的EL设备在很大程度上仍然没有得到探索。

研究成果

柔性和可拉伸的发光器件正在推动无数应用的创新,如可穿戴和功能电子、显示器和软机器人。然而，通过传统技术开发柔性电致发光器件仍然是费力不讨好的。在此，南方科技大学刘吉团队报告了一条简单易行的路线，通过直接写入墨水的3D打印技术来制造一类 柔性电致发光器件和软机器人。开发了可3D打印的离子导电、电致发光和绝缘电介质墨水，使能够按需方便地制造具有良好保真度的柔性和可拉伸电致发光器件。与多层电致发光器件的强大界面附着力赋予了3D打印器件有吸引力的电致发光性能。将3D打印电致发光器件与软体四足机器人和传感单元整合在一起，制造出了一个可以通过显示匹配的颜色即时自我适应环境的人工伪装，为下一代软体伪装奠定了有效框架。相关研究以“Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots”为题发表在Nature Communications期刊上。

研究亮点

1. 报告了一种通过多材料3D打印制造柔性EL器件的简化方法。该装置由一个高导电弹性体作为电极，一个电介质弹性体作为绝缘层，以及一个ZnS荧光粉负载的弹性体作为电致发光层组成。2. 提出的策略很容易与其他技术进步相融合，如软体机器人技术。3. 提出的简易和可编程的制造策略为创造下一代柔性显示器、可穿戴电子设备、智能伪装等开辟了新途径。

图文导读

Fig. 1 | 3D printing of electroluminescent devices and an integrated fabrication strategy for self-adaptive soft robots.

Fig. 2 | Ink Design for Direct Ink Writing (DIW).

Fig. 3 | Multi-functional 3D printing. 

Fig. 4 | Control logic and the spatially color-changing ability of the ELbot.

Fig. 5 | Self-adaptive background color-matching ability of the ELbot.

总结与展望

综上所述，作者提出了一种简化的方法，通过开发高性能的3D打印EL油墨来制造机械顺应性和灵活性的EL器件。在3D打印电致发光器件良好的界面坚固性的支持下，3D打印电致发光器件即使在机械变形的情况下也表现出稳定的电致发光性能。通过将3D打印的电致发光器件与软体机器人相结合，设计并制作了一个变色龙启发的人工伪装，以证明该3D电致发光器件在自动背景匹配应用中的潜力。

与以往由形状记忆聚合物或刺激反应性聚合物制成的人工伪装不同，该ELbot能够通过主动控制与外部背景颜色相协调的交流电压供应，实现可感知的即时反应和可逆的颜色转换，与生理反应的时间尺度相当。这种即时匹配能力是伪装应用的理想选择。应该指出的是，上述演示显示了我们的ELbot对特定单色背景的反应能力。虽然在本研究中没有演示，但为了能够对无限的背景颜色作出反应，EL单元可以按像素排列，每个像素由三个子像素(红、绿、蓝ELE油墨)组成，以产生对RGB色域的完整覆盖。此外，通过根据当地环境信息对每个像素进行编程，也可以很容易地实现空间上的色彩匹配响应。

展望未来，这里提出的多材料3D打印策略在电致发光器件的制造中提供了快速成型和可定制的优势。通过所提出的3D打印策略，复杂的电致发光器件可以为特定的应用定制，为下一代完全柔软的发光器件、智能显示器和伪装系统开辟了新的途径。

文献链接Integrated 3D printing of flexible electroluminescent devices and soft robots, https://doi.org/10.1038/s41467-022-32126-1