一种基于液态金属的智能交互画设计_孙明跃.pdf

中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-80-两星推荐当今数字科技与艺术的融合趋势，让越来越多的艺术家和设计师希望通过科技手段创造出更具创新性和前瞻性的作品。随着柔性电子技术的发展，液态金属的柔性印刷成为一种新兴的技术，可以实现在柔性基材上印刷电路。与传统的硬性电路板相比，柔性印刷电路具有更高的可靠性、更低的成本、更大的灵活性和更高的生产效率。液态金属是指在一定温度下处于液态状态的金属材料，具有独特的物理化学性质和结构特点，因此在许多领域有着广泛的应用前景。本研究将基于液态金属增材制造技术，探索如何将电路元件嵌入到绘画中，创造出具有交互性和美学价值的智能交互画，为文化创意产业和科技艺术领域的发展提供新的思路和方法。液态金属概述液态金属的特点液态金属是一种特殊的金属物质，与传统的固态金属不同，它在常温下处于液态状态，如铟、镓、汞等。液态金属的特点是流动性强、表面张力小、可塑性好、导电性能高等。液态金属由于具有低熔点、低黏度、高导电性、高热传导性、高强度、耐腐蚀等优良特性，因此在柔性印刷电路中备受关注。液态金属柔性印刷技术理念的出现，创造了“材料-制造-应用”三位一体的柔性电路绿色生产模式，用变革性技术打破了电子制造边界。液态金属最早应用于航空工业中，主要用于制作高温合金材料、液压泵等。近年来，随着技术的不断发展，液态金属在新材料、电子器件、柔性电路、医疗器械等领域得到了广泛的应用。液态金属的优点液态金属具有以下的优点：导电性能好：液态金属具有良好的导电性能，可用于制作电子元器件、电路板等。可塑性好：液态金属在较低的温度下就可以变形，可以制作出形状复杂的零件。抗氧化能力强：液态金属具有较强的抗氧化能力，不易受到氧化损伤。耐高温性好：液态金属具有较高的熔点和沸点，能够在高温环境下保持稳定性。较好的机械性能：液态金属具有较高的强度、韧性和延行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种基于液态金属的智能交互画设计孙明跃 刘登优 王园园 郭 雪 魏 塽 闫庚龙 庞传远孙明跃 刘登优 王园园 郭 雪 魏 塽 闫庚龙 庞传远（通信作者）茅台学院，酿酒工程自动化系项目号：S202114625006项目名称：基于液态金属的柔性印刷电路制备可交互式文化展览画立项单位：茅台学院项目类别：大学生创新创业训练计划-81-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期两星推荐展性，具有良好的机械性能。液态金属目前主要应用于新材料、电子器件、柔性电路、医疗器械等领域，具有广泛的应用前景。同时，液态金属技术的不断发展，也为各个领域研究和应用提供了新的可能性。液态金属在电路制作过程中的优势传统电路板在一些特殊场景下存在应用局限性，尤其是对于环境的污染使我们不得不重视更加环保的电路制造技术。相比之下，液态金属柔性印刷电路技术采用环保的材料，制造过程中无需使用有机溶剂和化学药品，具有更好的环保性。此外，液态金属柔性印刷电路技术还能够实现电路板的可重复制造，可回收利用，降低了对环境的影响。传统电路板的局限性传统电路板使用的材料主要包括玻璃纤维、铜箔、有机溶剂、铅、镉等物质。这些物质中，铅、镉等重金属具有较高的毒性和生物蓄积性，会对人体健康和环境造成潜在威胁。同时，制造传统电路板的工艺需要大量的有机溶剂和化学药品，对环境造成不良影响，如挥发性有机物（VOCs）会对大气造成污染，废水中含有铜、铁等金属离子，会对水体造成污染。其次，传统电路板的制作需要经过多道工序，制造过程复杂，周期长，电路板的形态和尺寸也比较固定，无法适应多样化的形状和尺寸需求。液态金属电路制作相比传统电路板的优势首先，液态金属具有极高的导电性能，可用于制造高性能的电子器件和电路。其次，液态金属可以通过微型注塑或直接写印刷等方式进行制造，制造精度较高，可以制作出高密度、高精度的电路。再者，液态金属在制造过程中可以通过调整制造参数控制其形态和尺寸，可以适应各种电路设计的需要，制造出各种形状和尺寸的电路元器件。此外，液态金属具有良好的机械性能和抗氧化能力，不易出现接触不良、断路、短路等问题，从而提高了电路的可靠性和稳定性。最后，液态金属具有较高的可塑性，可以制造出形状复杂的电路元器件，如微型线圈、微型变压器等。基于液态金属的智能交互画设计应用研究目的利用液态金属柔性电子电路技术，将电子元件与绘画艺术相结合，实现电子绘画的交互性，探索电子绘画与互动艺术之间的融合和创新。艺术家可以将传统绘画与现代科技相结合，实现跨界创新和颠覆传统的艺术表现方式，这种艺术形式具有创新性、前瞻性和科技性，可以吸引更多年轻人关注艺术和科技的融合，促进科技艺术领域的发展，为艺术与科技的融合提供新的思路和方法，同时也可以为互动艺术的发展和科技艺术的探索提供新的可能性。其次，这种柔性的电子元件可以轻松地嵌入到绘画作品中，使得绘画作品具有了交互性和可编程性，提供视觉上的艺术享受，进一步增强了艺术作品的表现力和沉浸感。同时拓宽了液态金属的柔性印刷电路应用新领域，开拓了传统文化的传播新途径，两者的结合具有一定的环保性、交互性、趣味性和可行性。技术路线首先选择或是设计一个想要结合的图案，需要考虑包括画面、线条、颜色等元素，其次需要确定欲实现的交互功能及方案，如音乐播放、闹钟设置、触摸等。根据交互功能的实现确定电路的需求及方案，选用符合电路需求的元器件进行电路原理图的设计，依据所选图案进行驱动电路的 PCB图设计，该步骤需要格外注意元器件与图案线条相结合的整体电路美观性，确定好元器件的布局后利用液态金属打印电路，采用具有低模量流动性和金属高导电性的镓基液态金属作为导电油墨，将电路打印在 PET 透明柔性基材上，经检查修补、热处理、阻焊层制作、电路固化、元器件焊接、覆膜及封装等步骤后得到智能交互画成品。方案实施选择图案在最初的产品探索过程中，为了减小电路元器件焊接的难度，避免短路的情况出现，因此选择图案线条较为明显和清晰的校园图书馆，将其线条勾勒成图，如下图 1，在该图案的中间位置恰有一方形空间，可作为实现交互功能的触摸区域。电路需求根据所选取的图案特色，利用图案中间位置的方形空间，在不影响原图案美观性的前提下，勾勒一个触摸区域来实现交互功能，因此在这里选用单通道触摸直流 LED 灯光调节控制芯片 TTP118-AO8N。TTP118-AO8N 驱动芯片的特点是可在有介质隔离保护的情况下实现触摸功能，安全性高（如玻璃、亚克力等材质），将其应用于智能交互画，能够在实现交互功能的前提下将产品进行封装，保护电路和画作。基于 TTP118-AO8N 驱动芯片进行其他元器件的选配，根据驱动芯片 2.45.5V 的电压工作范围，确定电路采用5V 电源输入，故选择博通品牌下额定工作电压为 5V，额定电流为 20mA 的 HSMN-C170 型号 LED 灯。电路原理图设计TTP118-AO8N 驱 动 芯 片 共 有 8 个 引 脚，通 过MODE、OPT1、OPT2 三个引脚可实现 8 种不同的工作模式，该芯片的各引脚定义如表 1。根据引脚定义及欲实现的触摸交互功能，在驱动芯片的图 1 实拍图与线条勾勒图中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-82-两星推荐模式选择上选择 MODE=0 时的输出模式，此状态下引脚 6为共享脚位 TOGB，引脚 8 为 AHLB。再根据 MODE=0时单通道触摸按键功能选择表，如下表 2，选择锁存输出，上电状态“高”电平的功能，即 TOGB=0，AHLB=1。表 2 MODE=0，单通道触摸按键功能选择表TOGBAHLB功能介绍注记11直接输出“低”电平默认10直接输出“高”电平01锁存输出，上电状态“高”电平00锁存输出，上电状态“低”电平综上所述，确定驱动芯片各引脚的接入方式为，MODE=0 即接地，VC 接采样电容，此处电容的大小可以决定该触摸电路的灵敏度，电容值越大灵敏度越高，电容值的范围为 147nF，VSS 为电源负端即接地，触摸输入端引脚 TI 接入触摸板，令 TOGB=0 即接地，AHLB=1 即接入电源实现锁存输出，上电状态“高”电平的功能，SO 引脚接入驱动电路，利用 EDA 绘制电路原理图如图 2。驱动电路 PCB 设计确认电路原理图后，将其转换成 PCB 设计图，与传统PCB 设计不同的是，在考虑电路完整还原性及元器件紧凑性的同时，还要保证所选取图案的整体美观性不受到影响，如图 3，为不影响整体图案线条，D13 与 C1、C2 之间采用飞线连接并置于基材背部进行封装，保证电路的美观及完整。最终得到整体的 PCB 设计图如图 4。打印电路采用梦之墨电子电路打印机（如图 5），其能够和现有电路设计软件兼容，在常温环境下使用固态金属实现功能电路打印，其基本原理是将具有低模量流动性和金属高导电性的镓基液态金属作为导电油墨，根据轻敲式电子打印的方法将电路打印在 PET 透明柔性薄膜基材（0.10.5mm）上从而形成导电电路。首先，将打印机预热至 105的工作温度，利用打印基材调试设备至正常出墨量，打开 PCBDOC 格式文件后设置好打印参数及规格，打印后调整出墨量避免打印机体停止打印时仍处于出墨状态，导致打印头漏墨。制板将打印合格的电路放入干燥箱进行 75热处理烘烤表 1 TTP118-AO8N 驱动芯片各引脚定义脚位脚位名称共享脚位I/O 类型脚位定义1MODE-I-PH输出模式选择：MODE：1（默认值）DC LED 灯光调节输出MODE：0 单通道触摸按键输出2VC-I/O采样电容脚3VDD-P正电源供应4VSS-P电源负端，接地5TI-I/O触摸输入端6OPT1TOGBI-PHMODE=1（默认值）：OPT1 DC LED 灯光调节功能选择MODE=0：TOGB 单通道触摸按键直接输出或锁存输出选择7SO-OCMOSPWM 驱动输出8OPT2AHLBI-PHMODE=1（默认值）：OPT2 DC LED 灯光调节功能选择MODE=0：AHLB 单通道触摸按键输出高电平有效或低电平有效选择图 2 电路原理图图 3 电路板飞线设计图 4 PCB 设计图-83-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期两星推荐10min，随后进行阻焊层的制作，将阻焊材料均匀涂抹在电路上，并放入光固化装置完成光固化步骤，用酒精清洗电路表面的多余阻焊材料，使其露出电路的完整金属线路。接着利用覆膜机进行电子电路的贴合，将电路中的焊点及过孔位置进行机械钻孔，最后将基材裁剪到需求大小。焊接电路板的焊接过程与传统方式一致，略有不同的是，金属线路在打印或是焊接过程中出现短路的情况时，可利用尖嘴镊蘸取少量酒精快速划过短路位置（如图 7）即可解决。焊接完成后得到样品如图 8，接入电源实现了设想的电路功能，通过触摸控制 LED 灯的亮灭实现电路交互，这种交互式电子绘画不仅具有艺术性，同时也具有一定的科技性。且液态金属柔性电子电路可以实现电路元件的柔性和可变形，而绘画可以表现出丰富的艺术效果，两者相结合可以创造出更加独特的艺术作品。结语基于液态金属的智能交互画是一种非常具有前景和创新性的艺术形式，它利用了液态金属的特性，通过数字化技术图 5 DREAMS1 电子电路打印机图 8 智能交互画样品展示图 7 线路短接处理图 6 制板流程和交互式设计，实现了新型的绘画方式和艺术体验。相比于传统的绘画方式，基于液态金属的智能交互画具有更加灵活、直观和富有科技性的优点，利用液态金属的特性，艺术家可以实现更加自由、灵活的绘画方式，观者还可通过触摸、手势等方式与画作进行互动，增强了艺术的体验感和参与感。同时其结合了液态金属材料、数字化技术和交互设计，具有非常强的创新性和科技感，为艺术的发展带来了新的机遇和挑战。当然，基于液态金属的可交互电子绘画也面临着一些挑战和限制，例如液态金属材料的成本较高，技术难度较大，需要具备一定的专业知识和技能。总的来说，基于液态金属的可交互电子绘画是一种非常有前景和创新性的艺术形式，它将为艺术的发展和数字化技术的应用带来新的可能性和机遇。