劍橋大學黃豔燕團隊聯合發明3D列印微納米纖維傳感器

2020-10-24 3D列印世界

來自雲南大理的 26 歲白族留學生王文宇，和課題組聯合研發出微納米導電纖維的 3D 列印技術。論文於 9 月 30 日以《面向平面和 3D 光電和傳感器件的纖維列印》「Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures」 為題發表在 Science Advances 上。

同日，該研究還登上劍橋大學主頁的熱點新聞，其中王文宇是該論文的第一作者，他的導師黃豔燕是論文的通訊作者。

本次研究登上劍橋大學官網首頁（來源：劍橋大學）

DeepTech 聯繫到正在劍橋大學讀博的王文宇和他的導師黃豔燕，他們表示本次研究的主要貢獻，是提出一種列印導電性極好的超細纖維的首創新方法。

王文宇（來源：受訪者）

比頭髮細一百倍、和銅絲一樣導電的微納米纖維

微納米導電纖維具有較高的長徑比、極低的彎曲剛度和高透明度。假如把微納米導電纖維組裝為 3D 結構，就能開發出新型透明透氣的柔性電子器件，其可以用於健康監測、物聯網和生物電子傳感器等。

懸浮纖維結構的 IFP 製備

基於上述思路，該團隊歷時四年進行研發，並將成果展示在本次論文中：一種通過同心噴頭、來快速精確且靈活地列印懸空微納米纖維的新方法。

據王文宇介紹，微納米纖維結構跟普通電線相似，它是一個雙層結構，內層是導電內心，外層是絕緣高分子包裹物。其直徑只有 1-3μm，和蜘蛛網粗細差不多，只有人類髮絲直徑的 1% 到 3%。

因此，用微納米纖維製作的呼吸傳感器，是個超小型懸空透明體，它不依附任何底板、比表面積也比較大，因此可以非常靈敏地感受到呼吸中的溼氣。而且，由於其比較細且可以懸空，這讓氣流可以直接透過纖維網，所以多層纖維網疊加起來就能夠實現氣流時空分布的三維檢測，儘管該纖維就像蜘蛛絲一樣細，但也擁有足夠的韌性，不會輕易被氣流吹斷。

該研究團隊展示了利用銀納米顆粒或者有機導電高分子材料組成的多材料微納米纖維陣列。相比傳統纖維製造工藝，該工藝具有更好的普適性，能夠列印不同材料組成的微納米纖維，同時，能列印出懸空的微納米纖維網。

使用 iFP 光纖創建電路結構

由於 iFP（Inflight fiber printing，懸浮纖維列印）可列印出的纖維不依附於任何底板，因此與標準透明導體薄膜相比，無襯底導電纖維陣列不存在薄膜襯底吸收和反射光線等問題，因此明顯更為透明。

在此基礎上，該團隊展示了 iFP 流程列印的新型電路架構，即 3D 「懸浮 LED 電路」 的概念。此外，整個 iFP 流程在低於 100°C 的環境中完成，因此，纖維陣列能直接集成到熔融溫度較低的材料上，如常用的 3D 列印塑料。

這一優勢為低成本和易組裝的 3D 「懸浮 LED 電路」 成為可能。本次研究還首次提出一種新方法，即採用一步到位的方法來將列印出來的微納米導電纖維直接集成到電路上，從而減少了傳統導電纖維製備工藝中不可避免的複雜後處理。

同時，iFP 過程還可以將微納米纖維在列印的同時就將纖維節點 「焊接」 起來，像金屬和高分子這些差異很大的導電纖維，都能被一步到位的 「焊接」 在同一個多材料纖維網絡中。在具體應用中，由於微納米電子纖維具有高導電性和機械強度，因此能連接和支撐懸空的微小電子器件，從而製成 3D 「懸浮電路」。

基於此，王文宇和團隊製作出一款可穿戴呼吸傳感器，由於導電纖維具有高透氣性，該傳感器能在水汽自由透過的情況下，檢測呼出氣體水汽的時空分布信息。

可穿戴的低成本呼吸檢測器

具體來說，該傳感器可以檢測正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同狀態下的呼吸頻率和呼出氣體擴散情況。由於 iFP 列印出的微納米纖維電阻和溼度成正相關，因此直接將在纖維陣列兩端檢測到的電阻除以一個係數後，就直接得出溼度，這樣做的好處是可以讓檢測更高效，更低耗能和更直觀。

該團隊告訴 DeepTech，該傳感器在檢測快速呼吸時的解析度，明顯優於同類商用傳感器，這得益於微納米纖維的高靈敏度。研究小組發現，織物或手術口罩的大部分洩漏均來自口罩正面，而 N95 口罩的大部分洩漏來自頂部和側面與臉鼻接觸的部位。

但是，兩種類型的口罩在正確佩戴時均有助於減弱正向的呼出氣流強度。在實驗中，王文宇將呼吸傳感器置於不同類型口罩的外側，以檢測正常呼吸和咳嗽時呼出氣流的分布，結果發現一次性口罩和 N95 口罩只要正確佩戴，均可以減弱正向的呼出氣流強度。

這樣一款多材料的三維可穿戴傳感器，和智慧型手機結合在一起，可以方便的檢測呼吸時的口部狀況、呼吸時氣體的走向、氣體的溼度、呼吸的頻率、咳嗽聲音的異常。

這麼多維度信息結合起來，可為遠程健康診斷提供更好、更便宜的解決方案。儘管該傳感器目前無法做到檢測病毒顆粒，但是諸多研究都表明，新冠病毒等病毒和微生物可通過呼吸道飛沫和氣溶膠傳播。

因此，通過測量不同類型的呼出氣體分布和方向，可以指導人們合理選用和佩戴口罩。除纖維傳感器以外，3D 列印微納米導電纖維技術還可製備出很多產品。

比如，該纖維還能引導且感受到生物細胞在纖維上的表現。因為微納米纖維是用 3D 列印出來的，而 3D 列印的優勢，在於其可以靈活列印各種模型。以本次展示的多種產品模型為例，後續還可進行再轉化和多方面的應用。

王文宇表示，日後還可通過技術優化，來讓該纖維檢測呼吸時口中的其他氣體，比如呼出來的氨氣、二氧化碳、酒精含量等，這些氣體的含量可以間接的反映身體的健康狀況。

除呼吸傳感器外，3D 纖維列印技術還可用於製造生物相容性導電高分子纖維，這種纖維可引導細胞運動、並能將這種動態過程以電信號方式輸出，這可給日後生物電子設備的發展和 3D 細胞檢測，提供一定的研究思路。

而小型導電纖維之所以表現優異，一是因為其具有結構優勢，二是因為檢測直觀。因為它的體積非常小，因此其底表面積的值就越大，再加上它可以懸空，所以能靈敏地檢測溼氣的變化。

據王文宇的導師黃豔燕介紹，本次傳感器的製造材料成本大概在 10 元人民幣以下。如果大批量生產價格會更低，再考慮人工和機器，成本估計大約幾塊錢。

不過黃豔燕也對其他媒體坦言：「與傳統的薄膜技術相比，由小型導電纖維製成的傳感器對 3D 流體和氣體的體積檢測特別有用，但到目前為止，列印它們並將其結合到設備中大規模製造它們一直是一個挑戰。」

《3D列印世界》——中國3D列印行業專業讀物

搜索官方微信帳號：「3D列印世界」，新鮮、有料、深度3D列印資訊，盡在3D列印世界！

相關焦點

  • 留學生聯合發明比頭髮細一百倍的3D列印微納米纖維傳感器
    來自雲南大理的26歲白族留學生王文宇，和課題組聯合研發出微納米導電纖維的3D列印技術。 　　同日，該研究還登上劍橋大學主頁的熱點新聞，其中王文宇是該論文的第一作者，他的導師黃豔燕是論文的通訊作者。 　　DeepTech聯繫到正在劍橋大學讀博的王文宇和他的導師黃豔燕，他們表示本次研究的主要貢獻，是提出一種列印導電性極好的超細纖維的首創新方法。
  • 劍橋大學3D列印電子纖維檢測口罩漏氣情況
    劍橋大學的研究人員利用 3D 列印的最新進展生產出了電子纖維，這些纖維可以作為健康監測的傳感器。該纖維最初被運用到一種可攜式呼吸傳感器來做演示，但團隊表示，該方法也可用於生產低成本的傳感器，用於一系列應用。
  • 超細的3D列印纖維可以監測口罩的滲漏情況
    劍橋大學的研究人員利用3D列印的最新進展生產出了電子纖維，這些纖維可以在肉眼看不見的前提下作為健康監測的傳感器。該纖維最初被運用到一種可攜式呼吸傳感器來做演示，但團隊表示，該方法也可用於生產低成本的傳感器，用於一系列應用。
  • 裸眼看不見的3D列印纖維可測量空氣顆粒等
    從研究者劍橋大學已經開發了3D列印微小的，透明的電子纖維的新一代傳感器的方法。這種纖維比人的頭髮細100倍，可用於製造能夠聞，聽和觸摸的設備。研究結果發表在《科學進展》上。為此，同樣來自工程系的Yan Yan Shery Huang博士帶領一個團隊進行了3D列印由銀和/或半導體聚合物製成的複合纖維的研究。
  • 面向陣列和3D光電和生物傳感的導電纖維3D列印技術
    劍橋大學的研究人員使用了3D列印技術來製造比人的頭髮細100倍的電子纖維，從而創造出了超越傳統薄膜設備的傳感器。採用的技術原理是機上纖維印刷（iFP），這是一個將導電纖維生產和纖維到電路連接集成在一起的一步過程。
  • 3D列印出微小透明的導電纖維可以捕捉人們呼出的氣息
    打開APP 3D列印出微小透明的導電纖維可以捕捉人們呼出的氣息 MEMS 發表於 2020-12-01 16:49:37 劍橋大學的研究人員宣布，3D列印出微小透明的導電纖維可以捕捉人們呼出的氣息，幫助診斷醫療狀況。
  • 卡內基梅隆大學開發在10秒內識別冠狀病毒的3D列印傳感器
    中國3D列印網9月29日訊，卡內基梅隆大學（CMU）的研究人員3D列印了一個傳感器，該傳感器可以在大約10秒內識別Covid-19抗體。CMU機械工程副教授Rahul Panat領導了開發3D列印傳感器的團隊
  • 劍橋研究人員開發出用於健康監測的隱形纖維
    劍橋大學的研究人員宣布，3D列印出微小透明的導電纖維可以捕捉人們呼出的氣息，幫助診斷醫療狀況。纖維列印技術可用於製造非接觸式、可穿戴、可攜式呼吸傳感器，優勢在於靈敏度高，製作成本低，能夠連接到手機上，同時收集呼吸模式信息、聲音和圖像。
  • MIT華人教授發明神奇墨水,在小鼠大腦中植入3D列印柔軟電極
    日前，MIT趙選賀教授團隊開發出一種3D列印神經探針和其他電子設備的方法，而且它們像橡膠一樣柔軟靈活。研究成果已發表在Nature Communications上，題為「3D printing of conducting polymers」。
  • 《Nature》雜誌子刊,日本人發明3D列印表面處理方法,3D化學溶解
    太牛了，日本人發明的一種3D列印表面處理新方法：3D化學溶解，居然登上了《Nature》的《Scientific Reports》，具備強烈的顛覆性
  • 廣州團隊的新技術,研究3d列印骨頭,原材料是骨粉和生物膠水
    不過隨著醫療技術的發展，在上個世紀80年代時，就發明了內固定金屬器材，而且逐漸的進入了臨床，使用這種器材不需要很久的癒合時間，因為它可以幫助患者進行骨骼結構重建，從而使得康復的時間會大大的縮短。不過相信大家也都看到過3d列印骨頭的新聞，所以這也不算是一種什麼新技術，但是在廣州就有一支研究團隊正在研究一種特殊的3d列印骨頭技術。以往採用3d列印骨頭技術使用的原材料都是金屬，不過將金屬移植到體內總歸還是不太好的。
  • 哈佛大學發明了一種類似羊毛的3D列印材料，可以改變形狀
    看看哈佛的發明，對你所在的領域或者專業方面的創新思維有什麼啟發和幫助嗎？希望我們大家都能想一想。也許未來使用哈佛大學研究人員開發的新材料就可以做出這樣的衣服啦！哈佛大學來自約翰A.保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的團隊的研究小組創建了一種可以通過「可逆形狀記憶預編程」的3D可列印材料。 像羊毛一樣的材料，可以記住舊的形式，然後變回原來的形式，或者在施加某種刺激時變成不同的形狀。
  • 為什麼3D列印技術越來越受船廠青睞?
    由於緬因州的團隊在72小時內就印出一艘25英尺船，讓生產船脫離工廠生產線的夢想成為了嚴肅的話題。實際上，在創新的時間表上，事情進展得有點慢。Habib Joseph Dagher作為該大學高級結構和複合材料中心的主任領導了這個項目，他說最可能的直接結果是在50英尺範圍內製造模具的新方法。
  • 劍橋大學發現用水合成無毒高強度人工蛛絲新方法
    劍橋大學的建築家和化學家團丟研發出了一種堅固，超強彈性，無毒和可持續的人造蜘蛛絲，而且新材料98％由水製成，新的人造纖維在室溫下由水凝膠的湯質材料紡絲製成，成本較低，生產過程綠色環保，同時具有許多真正的蜘蛛絲的神奇性質。如果實現商業化生產，其有望用於製造紡織品、傳感器和其他材料。
  • 科學家開發3D列印人機互動傳感器
    韓國首爾國立大學的研究人員在近期開發出一種新的3D列印傳感器，使人類擁有能夠與軟機器人系統進行交互的能力。可植入軟機器人是設備中的3D列印傳感器該團隊3D列印了一個多功能傳感器，該傳感器能夠檢測單個變形模式並立即將它們全部解耦。該設備本身具有微流體通道，該通道中充滿了離子液體，彈性外殼和導電織物層。
  • 浦項-延世大學聯合研究用於3D電路列印的液態金屬油墨
    POSTECH-延世大學聯合研究團隊開發用於3D電路列印的液態金屬油墨可以直接印刷在可拉伸基材上的導電和可拉伸電極引起了可穿戴電子產品和電子皮膚的廣泛關注。包含液態金屬的可印刷油墨是這些應用的理想選擇，但是在液態金屬顆粒周圍形成的絕緣氧化物表皮會限制其導電性。
  • 東華大學莫秀梅教授等人:3D列印電紡纖維基軟骨再生支架
    然而，電紡纖維通常形成具有小孔徑和低厚度的二維(2D)膜，而很難構建三維支架。3D列印是一種很有前途的技術，可以精確控制單個三維形狀和大孔(鏈間)的支架。然而，目前基於3D列印的支架大多缺乏纖維表面結構，無法有效地模擬天然ECM結構。將靜電紡絲技術與3D列印技術相結合，可以製備出具有個性化形狀、可控大孔、纖維表面結構的理想三維支架。
  • 荷蘭萊頓大學發明3D列印超導裝置
    因此，來自荷蘭萊頓大學的研究人員發明了一種在幾分鐘內三維列印應用約瑟夫森結效應的超導設備的方法。約瑟夫森結（Josephson junction），或稱為超導隧道結。一個完整的約瑟夫森結可以在幾分鐘內完成列印。除了與外部電子設備的接觸以外，EBID約瑟夫遜結不需要薄膜沉積或其他處理（例如退火，暴露於化學物質或離子束）。這提供了一種非侵入性的手段，可以在現有結構的所需位置添加高靈敏度檢測器，例如用於磁力測定的超導量子幹涉裝置（SQUID）。
  • 深圳造微納米3D印表機繪製微米地圖
    如今，在深圳，國人自主研發的微納米設備，也聚焦於微觀世界，所生產的產品衝破國外壟斷，運銷歐洲和北美，甚至賣到了NASA(美國國家航空航天局)和常春藤高校等世界頂級科研機構，其中的微納米3D列印系統不但可以列印出有序排列的人造細胞支架等微納米級別的生物工程製品，甚至可以打出納米級別的電路，製備柔性電子器件，助力人們的醫療健康和便捷生活。
  • 研究人員3D列印石墨烯電極，可以檢測食物中的毒素
    來自南洋理工大學、布拉格化學科技大學和沙特國王大學的一組研究人員製作了3D列印的石墨烯電極，能夠檢測食物中的真菌毒素zearalenone(又名ZEA，有毒的次生代謝物)。科學家們相信，他們的研究可以為食品安全保障的新方法鋪平道路。