“不可見的” 3D打印纖維傳感器可用于為能夠感應(yīng)呼吸和聲音的電子設(shè)備和傳感器供電。

由于在最近的研究中實(shí)現(xiàn)了3D打印電子纖維，因此一種能夠像人類一樣感知?dú)馕�，聲音和觸摸的設(shè)備可能要成為現(xiàn)實(shí)。 

劍橋大學(xué)的研究人員表示，他們已經(jīng)使用3D打印技術(shù)來創(chuàng)建這些“隱形”電子纖維，每根電子纖維的厚度都比人類頭發(fā)細(xì)100倍。這些光纖充當(dāng)傳感器，其功能超越了傳統(tǒng)的基于薄膜的傳感器設(shè)備。

這是根據(jù)“科學(xué)進(jìn)展”雜志上報道的研究得出的。

廉價且極其敏感的電子纖維

小直徑導(dǎo)電纖維具有獨(dú)特的性能，使其與其他類型的薄膜導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)區(qū)別開來。但是，現(xiàn)有的制造技術(shù)（例如化學(xué)生長，濕法紡絲和2D / 3D直接打�。�無法輕易地組裝纖維架構(gòu)。

這導(dǎo)致了利用纖維獨(dú)特特性組合的設(shè)備功能：方向性，導(dǎo)電性和高表面積體積比。 

為解決這一挑戰(zhàn)，劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的打印方法，該方法可用于制造非接觸式，可穿戴，便攜式呼吸傳感器，該傳感器高度靈敏且生產(chǎn)成本低廉。它們還可以連接到諸如智能手機(jī)之類的電子設(shè)備上，以同時收集呼吸模式信息，聲音和圖像。 

便攜式三層光纖傳感器 

便攜式三層光纖傳感器可以連接到智能手機(jī)的前置攝像頭，將單層光纖傳感器放置在鼻子上方。圖片（修改后）由Science Advances提供

根據(jù)研究論文，這些纖維對于健康監(jiān)測（例如呼吸頻率）和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特別有用。

該研究的第一作者，劍橋大學(xué)工程系的博士學(xué)位學(xué)生安迪·王（Andy Wang）使用纖維傳感器來測量在不同的模擬呼吸條件下（如規(guī)律呼吸，快速呼吸和咳嗽）通過面部覆蓋物泄漏的呼吸水分量。

Wang表示，光纖傳感器的性能優(yōu)于目前可用的同類商用傳感器，尤其是在監(jiān)測快速呼吸時。 

機(jī)上纖維印刷（IFP）

Wang和他的同事使用他們開發(fā)的稱為機(jī)上纖維印刷（IFP）的方法，對由銀和/或半導(dǎo)體聚合物制成的復(fù)合纖維進(jìn)行3D印刷。

該技術(shù)創(chuàng)建了一種芯-殼纖維結(jié)構(gòu)，其中的高純度導(dǎo)電纖維芯包裹在用作保護(hù)涂層的薄聚合物護(hù)套中。它與電線的結(jié)構(gòu)非常相似，但是直徑更小，直徑只有幾微米。 

3D打印隱形纖維

研究團(tuán)隊的IFP光纖傳感器連接到面部遮蓋物上，可以高靈敏度地檢測人的呼吸。圖片由劍橋大學(xué)提供

IFP在低于100°C的溫度下進(jìn)行，這會在原位形成薄導(dǎo)電纖維陣列的粘結(jié)。這些可以懸掛或放置在表面上，不需要后處理。通過優(yōu)化纖維的尺寸，研究人員聲稱他們已經(jīng)展示了一種用于快速在線制作小直徑導(dǎo)電纖維的通用技術(shù)。 

為“浮動電子體系結(jié)構(gòu)”做準(zhǔn)備

作為概念的證明，研究人員通過基于溶液的反應(yīng)合成和有機(jī)導(dǎo)電PEDOT：PSS纖維生產(chǎn)了無機(jī)金屬銀纖維。 

研究人員說，借助IFP能夠?qū)⒐饫w直接制造到電路上，他們能夠利用光纖陣列的功能優(yōu)勢來探索IFP工藝所提供的新型電路架構(gòu)。即，此過程為3D“浮動電子體系結(jié)構(gòu)”的概念打開了大門，該體系結(jié)構(gòu)將有機(jī)和無機(jī)纖維??材料合并到同一透明導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中。 

3D分層浮動電路的體系結(jié)構(gòu)

3D分層浮動電路的體系結(jié)構(gòu)。圖片（修改后）由Science Advances提供

該小組目前正在尋求為許多多功能傳感器開發(fā)IFP方法。