可自供能感知液滴撞擊的3D打印超疏水磁性器件

一、引言三維（3D）打印作為一種新興的增材制造技術(shù)，促進(jìn)了多功能且復(fù)雜結(jié)構(gòu)原型的制造，在航空航天、組織工程、珠寶和柔性電子等學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的前景。目前，由磁性粒子和可打印聚合物組成的3D打印磁性結(jié)構(gòu)，因在可控機(jī)械手、可變形軟體機(jī)器人等方面擁有巨大潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。報(bào)道了一種軟夾鉗型磁性致動(dòng)器工藝，使用兩種材料通過一步法[數(shù)字光處理（DLP）]實(shí)現(xiàn)3D打印，并且可以在外部磁致動(dòng)下進(jìn)行變形、物體捕獲、運(yùn)輸和釋放。隨后，分別通過直接墨水書寫（DIW）打印和熔融沉積建模（FDM）打印開發(fā)了程序化鐵磁疇。通過在聚合物基質(zhì)的凝固過程中施加磁場(chǎng)，為磁活性軟材料產(chǎn)生各向異性的磁化強(qiáng)度曲線。與基于液體的3D打印方法相比，選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印通常用于制備磁性驅(qū)動(dòng)夾具，以便通過磁刺激進(jìn)行可控形變。除了制備由外部磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手和軟體機(jī)器人外，磁性軟結(jié)構(gòu)在受到外力產(chǎn)生形變時(shí)，其磁場(chǎng)分布也隨之改變，表明該結(jié)構(gòu)具有將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的能力。最近，本文研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種通過柔性磁電系統(tǒng)使用水滴發(fā)電的工作，然而由于設(shè)置的幾個(gè)組件需要先模制后組裝，因此制造過程煩瑣且耗時(shí)。3D打印方法被認(rèn)為有助于磁能收集器的制造。此外，3D打印過程使得基于數(shù)字設(shè)計(jì)和制造的磁性結(jié)構(gòu)易于調(diào)整。在這種情況下，可以生成多種磁性架構(gòu)，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最大電流輸出。在本文中，利用3D打印方法制造具有超疏水表面的柔性磁性器件，從而實(shí)現(xiàn)由水滴驅(qū)動(dòng)的力電轉(zhuǎn)換。通過兩種集成的3D打印工藝制造的柔性力電轉(zhuǎn)換裝置，由磁性頂部和彈性桿狀底部組成。當(dāng)遭受水滴落下帶來(lái)的機(jī)械沖擊時(shí)，這種3D打印磁性器件（3DMD）會(huì)通過其內(nèi)部的導(dǎo)電線圈產(chǎn)生磁通量變化，從而產(chǎn)生電能。值得注意的是，磁性頂部的超疏水特性有效減少了水滴的固/液黏附，保證了器件具有良好的回彈性。此外，結(jié)合麥克斯韋數(shù)值仿真，確定了包括制造和測(cè)試參數(shù)在內(nèi)的可控因素，以研究它們對(duì)力電轉(zhuǎn)換性能的影響。最后，將三個(gè)3DMD串聯(lián)起來(lái)，通過收集的雨水流觸發(fā)紅色發(fā)光二極管（LED）進(jìn)行照明。本研究為制造力電轉(zhuǎn)換器件以實(shí)現(xiàn)自供能感知系統(tǒng)提供了新的途徑。二、材料和方法（一）材料Nd2Fe14B顆粒（400目；廣州新諾德傳動(dòng)部件有限公司）、熱塑性聚氨酯（TPU）粉末（LUVOSINTTPUX92A-2WT；德國(guó)LEHVOSS集團(tuán)）、疏水二氧化硅（AEROSILR202；德國(guó)EvonikDegussa公司）、乙醇（AR,≥99.7%；上海阿拉丁生化科技股份有限公司）和光聚合物（Agilus30；美國(guó)Stratasys公司）。材料均按照購(gòu)買時(shí)的原樣使用。購(gòu)買并定制了環(huán)形銅線圈，參數(shù)如下：線徑0.1mm、內(nèi)徑3.2mm、外徑25mm、厚度1.5mm。（二）3D打印磁性器件的制造首先將Nd2Fe14B磁粉進(jìn)行球磨處理，并按照不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（20%、30%和40%）與TPU粉末均勻混合。充分混合后，將粉末狀復(fù)合材料倒入擠出成型系統(tǒng)中。該系統(tǒng)包括單螺桿擠出機(jī)和螺紋輥，用于制備3D打印的柔性Nd2Fe14B-TPU復(fù)合長(zhǎng)絲。為了確保所需長(zhǎng)絲的有效擠出，基于不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將Nd2Fe14B-TPU復(fù)合材料的擠出溫度設(shè)置為140~160°C。值得注意的是，溫度超過160°C時(shí)可能導(dǎo)致復(fù)合材料降解甚至碳化，并且還需要注意流動(dòng)性和工藝穩(wěn)定性的問題。同時(shí)，使用線輥收集Nd2Fe14B-TPU復(fù)合長(zhǎng)絲。然后，將收集的長(zhǎng)絲直接送入FDM3D打印機(jī)，無(wú)需二次混合即可制造磁性頂部。本文中的3DMD結(jié)構(gòu)是通過商業(yè)3dsMax軟件設(shè)計(jì)的。采用FDM3D打印技術(shù)，制造了不同厚度（1~3mm）和凸起尺寸（半徑為1.0mm或1.5mm）的多個(gè)磁性頂部。頂部的磁性顆粒通過磁化器（中國(guó)香港久巨工業(yè)設(shè)備有限公司）在1900V以上的高壓下產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)進(jìn)行垂直磁化。10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）疏水性二氧化硅納米顆粒經(jīng)過超聲處理后分散在乙醇中，然后將二氧化硅基溶液噴灑到3D打印的磁性頂部進(jìn)行疏水處理。Agilus30光聚合物用于通過Polyjet3D打印技術(shù)制造彈性桿，彈性桿長(zhǎng)度為2~8mm。最后通過簡(jiǎn)單組裝三個(gè)組件，即磁性頂部、彈性桿狀底部和導(dǎo)電銅線圈來(lái)完成3DMD的制造。

（三）表征與測(cè)試通過原位X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描（micro-CT）技術(shù)（Xradia510Versa，德國(guó)Zeiss集團(tuán)）觀察Nd2Fe14B顆粒在磁性復(fù)合長(zhǎng)絲（簡(jiǎn)稱磁絲）中的分散情況。通過場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）（Sirion200，美國(guó)FEI公司）觀察Nd2Fe14B顆粒的形態(tài)以及經(jīng)二氧化硅處理/未處理的磁性頂部表面。通過超深度3D顯微鏡（DSX510，日Olympus公司）觀察磁性頂部的凸起大小。3D打印的頂部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布由多維磁場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)（F-30，北京翠海佳誠(chéng)磁電科技有限責(zé)任公司）確定。通過接觸角測(cè)量?jī)x（SDC-350，東莞市晟鼎精密儀器有限公司）測(cè)量二氧化硅處理/未處理樣品在靜態(tài)模式下的水接觸角。通過高速攝像系統(tǒng)（ST-857，日本NACImageTechnology股份有限公司）實(shí)時(shí)記錄水滴滴落時(shí)的樣品狀態(tài)。同時(shí)，通過電化學(xué)工作站（AutolabPGSTAT204，瑞士Metrohm公司）研究了由振動(dòng)引起的機(jī)械變形相關(guān)的力電轉(zhuǎn)換性能。（四）數(shù)值仿真使用ANSYSMaxwell分析軟件計(jì)算不同磁性器件的3D磁場(chǎng)強(qiáng)度分布。磁化方向取z軸正方向。根據(jù)以前的研究工作，使用了一個(gè)等效一元模型。在本文中，將Nd2Fe14B-TPU磁頂?shù)男吞?hào)設(shè)置為同比例的磁鐵。在簡(jiǎn)化等效模型中，矯頑力（Hc）為-151197.2A·m-1，剩磁（Br）為0.19T。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果本文構(gòu)建了一個(gè)由磁性頂部和彈性底部組成的3DMD，該器件分別由FDM和Polyjet3D打印技術(shù)生成（圖1）。通常，Nd2Fe14B被認(rèn)為是最強(qiáng)的永磁材料，因?yàn)樗哂休^高的最大能積。TPU作為低楊氏模量的熱塑性聚合物，更適合在FDM打印時(shí)構(gòu)建柔性結(jié)構(gòu)（見附錄A中的圖S1）。因此，平均晶粒尺寸為18.95μm的Nd2Fe14B粉末（見附錄A中的圖S2）與TPU粉末以4∶6的質(zhì)量比[圖1（a）]均勻混合，通過擠壓成型系統(tǒng)（見附錄A中的圖S3）產(chǎn)生具有優(yōu)異柔韌性的磁絲[圖1（b）、（f）、（g）]。圖1（e）和附錄A中的圖S4顯示了通過原位X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)獲得的復(fù)合長(zhǎng)絲內(nèi)Nd2Fe14B磁性顆粒的均勻分散狀態(tài)（亮區(qū)）。單根磁絲直徑約為1.72mm，有利于FDM3D打印設(shè)備的應(yīng)用[見圖1（c）和附錄A中的圖S3（c）]。因此，在將一層薄薄的疏水二氧化硅氣相納米顆粒沉積到磁性頂部后，打印出30mm（直徑）×3mm（厚度）的磁性和超疏水頂部[圖1（d）、（h）]。然后，使用Polyjet3D打印技術(shù)制造30mm（直徑）×6mm（長(zhǎng)度）的彈性桿狀底部[圖1（i）、（k）]。與FDM技術(shù)相比，Polyjet3D打印方法可以制造具有低楊氏模量的彈性聚合物，為在施加外力下的可逆變形提供柔性支撐。最后，通過商業(yè)黏合劑將磁性頂部和柔性桿狀底部粘合在一起，在底部空間插入線圈后產(chǎn)生3DMD[見圖1（l）和附錄A中的圖S5]。圖1.仿生3DMD的制造。（a）~（d）通過FDM技術(shù)制造磁性頂部的示意圖；（e）~（g）復(fù)合磁絲的表征：（e）通過微CT技術(shù)獲得的3D圖像，（f）單個(gè)柔性磁絲的光學(xué)照片，（g）準(zhǔn)備好的卷軸磁絲；（h）基于Nd2Fe14B和TPU復(fù)合粉末的打印磁性頂部；（i）、（j）通過Polyjet技術(shù)制造彈性部件的示意圖；（k）彈性桿狀底部的光學(xué)照片；（l）由磁性頂部、導(dǎo)電線圈和彈性桿狀底部組裝而成的3DMD。對(duì)3D打印磁性頂部的外觀和特性進(jìn)行細(xì)致的研究（圖2）。根據(jù)圖2（a）中的光學(xué)圖像，凸起狀結(jié)構(gòu)被打印在頂面上。由于存在一層薄薄的疏水二氧化硅納米顆粒，磁性頂部略帶白色。圖2（b）表征了磁性頂部乳頭陣列的準(zhǔn)半球形形態(tài)。通過超深度3D顯微鏡測(cè)量大約0.92mm的凸起高度[圖2（e）]。根據(jù)放大的FESEM圖像顯示[圖2（c）]，許多二氧化硅納米顆粒聚集在一起。疏水性二氧化硅納米顆粒的低表面能與毫米/納米級(jí)粗糙度相結(jié)合，使打印的頂部顯示超疏水狀態(tài)[圖2（f）]。圖2.FDM技術(shù)打印的超疏水磁性頂部的表征。（a）超疏水磁性頂部的光學(xué)照片；（b）表面凸起的超深度3D顯微鏡圖像；（c）處理的磁性頂部表面上疏水二氧化硅納米顆粒的FESEM圖像；（d）二氧化硅處理過的磁性頂部的磁感應(yīng)強(qiáng)度的3D分布，Bz表示z軸的磁感應(yīng)強(qiáng)度；（e）超深度3D顯微鏡測(cè)量的凸起高度；（f）光學(xué)照片顯示磁性頂部對(duì)黃色水滴的超疏水性。除了超疏水特性外，還研究了打印頂部的磁性。經(jīng)過磁化處理后，測(cè)量了打印磁性頂部的磁感應(yīng)強(qiáng)度的3D分布[圖2（d）]。顯然，最強(qiáng)的磁力出現(xiàn)在凸起的頂部。平均表面磁感應(yīng)強(qiáng)度約為9mT。如圖3所示，對(duì)3DMD的力電轉(zhuǎn)換進(jìn)行研究。打印頂部的厚度、磁粉含量和彈性桿的高度分別為2mm、40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和6mm。將水滴（55μL）滴到3DMD表面，滴落高度為40cm。由于桿狀底部由低楊氏模量彈性聚合物制成，彈性桿可以靈活彎曲并彈性恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)磁性頂部和底部線圈之間的距離變化。在這種情況下，通過線圈的磁通量發(fā)生了變化，導(dǎo)致從落下的水滴中發(fā)電[圖3（a）]。圖3.3DMD具有自供能感知以感應(yīng)下落水滴的能力。（a）3DMD在滴水過程中的力電轉(zhuǎn)換能力示意圖。（b）由高速相機(jī)系統(tǒng)捕捉到的因水滴滴落導(dǎo)致變形之前（左）和之后（右）的3DMD光學(xué)圖像。通過3D仿真計(jì)算得到的圖（c）和（d）分別是3DMD的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布的2D視圖和滴水前后線圈經(jīng)過一圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度。（c）黑色和紫色虛線分別表示彈性元件和線圈的位置。相應(yīng)的電學(xué)性能：（e）電壓輸出；（f）電流輸出；（g）轉(zhuǎn)移電荷與時(shí)間曲線。在這種情況下，水滴（每個(gè)液滴體積為55μL）在40cm的高度釋放，并滴落在3DMD的表面上。頂部的磁粉含量為40%，厚度為2mm。Φ1、Φ2：分別表示水滴沖擊前后通過底部線圈的磁通量；B：磁感應(yīng)強(qiáng)度。由高速攝像機(jī)記錄的快照[圖3（b）]顯示了相應(yīng)的變形過程。研究發(fā)現(xiàn)，磁性頂部和底部線圈之間的距離變化約為1mm，從而允許通過線圈的磁通量發(fā)生變化。當(dāng)一系列水滴在相同參數(shù)下滴下時(shí)，在圖3（e）、（f）中分別記錄了隨時(shí)間變化的相應(yīng)電壓和電流輸出，并且可以找到有規(guī)則的向上-向下響應(yīng)峰值。其中第一個(gè)電壓和電流峰值的平均輸出分別達(dá)到1.6mV和12.9μA。在變形/恢復(fù)過程中轉(zhuǎn)移的相應(yīng)電荷為5.2μC[圖3（g）]。在先前的研究中，3D打印觸覺傳感器必須由外部電源供電，隨后研究人員才提出了使用壓電或摩擦電材料的自供能概念來(lái)收集水滴或微小振動(dòng)的機(jī)械能。與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，由于電磁工作機(jī)制，3DMD的輸出電流高于已發(fā)表的紀(jì)錄（表1）。在這種情況下，3DMD可以將水滴的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，顯示出自供能感知能力。表1不同柔性觸覺傳感器的對(duì)比UV:ultraviolet;PDMS:polydimethylsiloxane;√:Yes;N:no;FTCEs:flexibletransparentconductingelectrodes.對(duì)變形前后的3DMD進(jìn)行麥克斯韋數(shù)值仿真，以研究力電轉(zhuǎn)換機(jī)制。采用3D靜磁解算器對(duì)磁性頂部進(jìn)行3D仿真建模，以計(jì)算變形前后的磁場(chǎng)分布[圖3（c）]。在這種情況下，使用等效一元模型來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜的二元磁粉/聚合物系統(tǒng)。圖3（d）顯示了由水滴驅(qū)動(dòng)的3DMD變形之前/之后通過一圈線圈的磁通量，其中顏色梯度（由藍(lán)色到紅色）表示磁場(chǎng)逐漸增加。磁通量變化見附錄A中的表S1（詳細(xì)計(jì)算過程見附錄A中的注釋S1）。因此，釋放的水滴的重力勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化為3DMD的形變，通過在3DMD中產(chǎn)生增加的磁通量而發(fā)電。為了驗(yàn)證超疏水特性的重要性，制備了一個(gè)未經(jīng)處理的3DMD作為對(duì)照樣品，其中除了超疏水表面之外，其余組分保持不變。這兩個(gè)樣品的表面分別如附錄A中的圖S6（a）、（b）所示。由于二氧化硅處理后的表面能較低，并且處理后表面的靜態(tài)水接觸角約為151°，而未經(jīng)處理的表面僅為62°[見附錄A中的圖S6（c）、（d）]。圖4顯示了超疏水和親水3DMD在水滴連續(xù)滴落時(shí)的電學(xué)性能。當(dāng)大量水滴從相同高度連續(xù)滴落到這兩個(gè)系統(tǒng)上時(shí)，由于抗?jié)櫇竦奶匦?，水滴很少停留在超疏水系統(tǒng)的表面[圖4（a）、（b）]，而在親水系統(tǒng)上，附著幾個(gè)潤(rùn)濕點(diǎn)[圖4（d）、（e）]。經(jīng)過一段時(shí)間的滴水后，超疏水系統(tǒng)可以恢復(fù)到最初的狀態(tài)。然而，大量的水殘留在親水系統(tǒng)上，導(dǎo)致磁性頂部黏附在底部。圖4（c）、（f）顯示了這兩個(gè)樣品在50個(gè)水滴連續(xù)滴落時(shí)的力電轉(zhuǎn)換性能。超疏水3DMD具有穩(wěn)定的電流響應(yīng)，但親水3DMD的輸出性能隨著時(shí)間變化明顯衰減。圖4.超疏水和親水3DMD在水滴連續(xù)滴落下的電學(xué)性能。超疏水（a）和親水（d）3DMD的水滴連續(xù)滴落示意圖。（b）和（e）表示分別在50個(gè)連續(xù)滴水循環(huán)后的超疏水和親水樣品的光學(xué)照片；（c）和（f）表示隨著時(shí)間變化的相應(yīng)電流響應(yīng)情況。由于磁通量的變化，理論上3DMD的力電轉(zhuǎn)換性能可以根據(jù)法拉第感應(yīng)定律計(jì)算如下：式中，E是輸出電壓；n是線圈的匝數(shù)；ΔФi是通過每個(gè)等效線圈環(huán)的磁通量變化；Δt是3DMD在變形下的響應(yīng)時(shí)間；ΔBi是每個(gè)等效線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化等效環(huán)；Si是每個(gè)等效線圈環(huán)的面積。結(jié)合公式（1）研究了各種制造參數(shù)對(duì)3DMD電學(xué)性能的貢獻(xiàn)，包括Nd2Fe14B顆粒的含量、凸起尺寸，以及磁性頂部的厚度。為了進(jìn)一步研究，只調(diào)整了一個(gè)可變參數(shù)，而其他制造和測(cè)試參數(shù)保持不變。Nd2Fe14B含量從20%增加到40%，導(dǎo)致磁性頂部的表面磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）增強(qiáng)，從而顯著提高3DMD的電流輸出（見附錄A中的圖S7）。雖然更多的磁性填料（質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%）可以產(chǎn)生更高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，但是更容易引起FDM打印機(jī)的堵塞。權(quán)衡打印過程中分辨率和流暢性的問題，最終磁粉含量保持在40%。如附錄A中的圖S8所示，磁頂上的凸起大小對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度或力電轉(zhuǎn)換性能并無(wú)顯著影響。此外，制造了不同厚度（1mm、2mm和3mm）的磁性頂部以調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度（見附錄A中的圖S9）。由3D仿真計(jì)算證實(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著磁性頂部厚度的增加而增加[見附錄A中的圖S9（a）~（c）]。盡管如此，磁感應(yīng)強(qiáng)度目前有明顯的下降趨勢(shì)[見附錄A中的圖S9（e）]。當(dāng)水滴落到3DMD表面時(shí)，同一彈性桿的微小形變被高速攝像系統(tǒng)捕獲[見附錄A中的圖S9（d）、（f）]?？紤]到磁性頂部的質(zhì)量，較薄的頂部意味著柔性更強(qiáng)，使彈性桿更容易變形。附錄A中的表S2證實(shí)了該事實(shí)，顯示出通過數(shù)值仿真計(jì)算出的磁通量隨著磁性頂部厚度的增加而減少。此外，本研究探討了彈性桿狀底部的彈性桿長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度在調(diào)整磁性頂部和底部線圈之間的間隙中起到關(guān)鍵作用。其他規(guī)格保持不變：將磁性頂部設(shè)置為具有相同的2mm厚度和40%的磁粉含量。如圖5（a）~（c）所示，4種3DMD顯示出在0.2~0.8cm范圍內(nèi)的不同彈性桿長(zhǎng)度。在相同的測(cè)試參數(shù)下，當(dāng)水滴滴落在這些3DMD上時(shí)，捕捉3DMD在形變前后的狀態(tài)如圖5（d）~（f）所示。結(jié)合圖3（b）中的快照，彈性桿長(zhǎng)度的增加可以略微提高3DMD的柔性，但其輸出性能并無(wú)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)[圖5（j）、（k）]。通過將莖長(zhǎng)度從0.6cm變?yōu)?.8cm，可發(fā)現(xiàn)電流輸出下降，原因是初始階段通過3DMD內(nèi)的一圈線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，以及磁通量的變化相應(yīng)減少[圖3（d）、圖5（i）和表2]。因此，在這種情況下，0.6cm的彈性桿長(zhǎng)度被認(rèn)為是具有良好力電轉(zhuǎn)換性能的最佳選擇。圖5.彈性底部的彈性桿長(zhǎng)度對(duì)3DMD力電轉(zhuǎn)換性能的影響。三種3DMD[分別帶有0.2cm（a）、0.4cm（b）、0.8cm（c）長(zhǎng)彈性桿]的光學(xué)照片，三種3DMD的磁性頂部相同，磁負(fù)載為40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），厚度為2mm。（d）、（e）和（f）為相機(jī)系統(tǒng)記錄的三個(gè)3DMD因水滴滴落而產(chǎn)生形變前后的快照，水滴體積為55μL，從相同的40cm高度滴落。（g）、（h）和（i）為水滴滴落之前/之后通過線圈同一個(gè)圈的相應(yīng)3D仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度分布（xy平面）。（j）具有4種長(zhǎng)度（L）彈性桿的不同3DMD的電流輸出，它們的對(duì)比直方圖如（k）所示。

表2滴水前后在彈性元件不同彈性桿長(zhǎng)度的4種不同的3DMD內(nèi)，計(jì)算一圈線圈的磁通量ΔФ

=

Ф2-

Ф1,where

Ф1and

Ф2representthemagneticfluxbeforeandafterdripping,respectively.Thecomponentsofthesefour3DMDsarethesameexceptfortheelasticstem-likesupport,andthechosencirclesoftheconductivecoilforthesimulatedcalculationhaveidenticalsizes.進(jìn)一步研究3DMD的力電轉(zhuǎn)換能力。即使在水滴持續(xù)滴落超過250s后，超疏水3DMD的力電轉(zhuǎn)換仍然存在，并顯示出長(zhǎng)期穩(wěn)定性[圖6（a）、（b）]。此外，制成的3DMD在大氣中停留28d后仍然保持相當(dāng)?shù)目煽啃訹見附錄A中的圖S10]。其中幾個(gè)測(cè)試參數(shù)，如水滴體積、滴水高度和水滴下落速度，在3DMD的力電轉(zhuǎn)換性能中起著重要作用。增加的水滴體積或滴落高度會(huì)產(chǎn)生更大的重力勢(shì)能，從而導(dǎo)致磁性元件和電氣件之間更大的形變，以增強(qiáng)力電轉(zhuǎn)換能力。通過將液滴體積從26μL增加到55μL，電流峰值呈現(xiàn)近乎線性增長(zhǎng)，如圖6（c）、（d）所示。同樣，當(dāng)將水滴的釋放高度提高到40cm時(shí)，電流響應(yīng)顯著提高（見附錄A中的圖S11）。圖6（e）、（f）描述了輸出電流值和水滴下落速度的相關(guān)性。雖然隨著水滴下落速度的增加輸出電流呈上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度很??；在水滴下落速度變化超過120μL·s-1時(shí)，輸出電流僅增加了2μA