Matter首批論文上線：3D打印“穿針引線”成就電子織物

來源： Cell Press

提到“可穿戴設(shè)備”,，你首先想到的大概是智能手表、google眼鏡等,，但你能想象某天,，我們身上穿的衣服就是一件“可穿戴設(shè)備”嗎？據(jù)了解,，清華大學(xué)化學(xué)系張瑩瑩副教授的團(tuán)隊正在將這種類似于科幻的場景變?yōu)楝F(xiàn)實：通過將自行設(shè)計的同軸噴絲頭集成到3D打印機(jī)上,，在織物上實現(xiàn)了功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維的直接打印，可靈活制作各種個性化功能圖案,，還能通過這些智能圖案進(jìn)行能量的收集和存儲,。該研究成果于3月27日發(fā)表于CellPress細(xì)胞出版社旗下材料旗艦新期刊Matter上。

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針對該論文的主要亮點等,，Cell Press邀請張瑩瑩副教授接受了專訪,。

“我們對直寫式3D打印機(jī)進(jìn)行了改裝，運用同軸噴絲頭實現(xiàn)了在織物上直接打印同軸皮芯導(dǎo)電纖維,，并展示了所打印圖案在能源管理方面的應(yīng)用,。”清華大學(xué)化學(xué)系副教授張瑩瑩介紹說， “常見的3D打印機(jī)的單軸噴絲頭每次只能打印一種墨水,，這極大地限制了打印組分的多樣性,，也限制了對所打印圖案功能的設(shè)計�,！�

為了進(jìn)行概念驗證，張瑩瑩副教授團(tuán)隊用如下兩種墨水展示了電子織物的3D打印制作：利用碳納米管溶液（CNT ink）用于制作纖維導(dǎo)電芯層,，利用蠶絲蛋白溶液（silk fibroin ink）用于制作纖維介電皮層（當(dāng)然也可以根據(jù)對柔性,、生物兼容性、耐水性等方面的需求,，靈活選用其他的墨水組合）,。蠶絲蛋白和碳納米管墨水通過注射泵連接在裝有同軸噴絲頭的3D打印機(jī)上，兩種打印墨水同時被擠出并直接在織物基底上形成皮芯結(jié)構(gòu)纖維構(gòu)成的各種個性化定制圖案,。用這種方式,，他們打印了漢字“打印”、英文字母“silk”和一只美麗的和平鴿,。

有別于常見的將生產(chǎn)好的電子纖維編織到織物中的方法,，該打印方法在制備電子纖維的同時完成了其在織物上的集成，極大地提高了電子織物的生產(chǎn)效率,。這種打印技術(shù)可通過選擇多種墨水組合,，將不同的功能單元一次性集成在織物中（類似于彩色打印機(jī)中裝有不同顏色的墨水），為穿戴電子的集成提供了便捷的可規(guī)�,；�的途��,。當(dāng)然這種方法打印的分辨率將受限于3D打印機(jī)的機(jī)械移動精度和噴嘴的尺寸。

“未來還可以在3D打印機(jī)上加裝多軸噴絲頭或者具有其他新功能的噴絲頭,，為3D打印結(jié)構(gòu)帶來更加靈活豐富的組分搭配可能和結(jié)構(gòu)設(shè)計,，實現(xiàn)多功能電子織物的高效制備�,！睆埇摤摳苯淌谡f,。

關(guān)于張瑩瑩副教授

張瑩瑩副教授2002年于山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，2007年于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院獲得博士學(xué)位,。2007-2008年就職于強(qiáng)生全球創(chuàng)新研究中心（上海）,，2008-2011年在美國Los Alamos國家實驗室從事博士后研究。2011年加入清華大學(xué),，現(xiàn)任化學(xué)系副教授,、博士生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域為納米碳材料的可控制備及其柔性可穿戴期間研究,，以及功能蠶絲的設(shè)計,、制備及其柔性可穿戴器件研究。
專訪

使衣物變身“可穿戴設(shè)備”可謂腦洞大開的想法,，是什么最初促使您的團(tuán)隊開展相關(guān)研究,？
張瑩瑩副教授：柔性可穿戴領(lǐng)域是一個新興的,、多學(xué)科交叉的領(lǐng)域。我對柔性可穿戴技術(shù)的興趣源于10年前在美國做博士后時,，后來開始獨立科研工作,，我的課題組便致力于柔性可穿戴材料與器件的研究。提到“可穿戴”電子,，最理想的載體莫過于衣物,，因此，使衣物變身可穿戴設(shè)備也就自然而然引發(fā)了包括我們在內(nèi)的同行科研團(tuán)隊的興趣,。

您認(rèn)為使用3D打印技術(shù)“打印”電子紡織品的難點主要有哪些,？您的團(tuán)隊是如何攻克的？
張瑩瑩副教授：在初期階段,，通過設(shè)計適用于3D打印的材料實現(xiàn)電子紡織品的直接打印是最關(guān)鍵的一步,。在實現(xiàn)所需功能的基礎(chǔ)上，還要考慮墨水的組分,、可打印性,、安全性、穩(wěn)定性等基本問題,。在本工作中,，我們設(shè)計了同軸噴絲頭并將其集成到3D打印機(jī)上，實現(xiàn)了在織物上進(jìn)行功能性皮芯結(jié)構(gòu)纖維和智能電子器件的直接打印,。通過設(shè)計化學(xué)組分,、調(diào)控流變性能，我們制備了絲素蛋白和碳納米管兩種可用于3D打印的墨水,，并實現(xiàn)了絲素蛋白-碳納米管皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印成型,。


您認(rèn)為此次研究取得的最具突破性的成果是？
張瑩瑩副教授：在本工作中,，我們首次實現(xiàn)了皮芯結(jié)構(gòu)纖維在織物上的直接打印,，并通過制作蠶絲能源管理織物進(jìn)行了展示。


人們對于衣物的要求包括舒適,、美觀及功能性等,，您覺得采用3D打印技術(shù)制作出的電子紡織品可以同時滿足人們的這些需求嗎？
張瑩瑩副教授：是的,。本工作中所制作的蠶絲智能織物可以滿足上述需求,。

您認(rèn)為該項技術(shù)的商業(yè)化前景如何？經(jīng)濟(jì)性如何,？
張瑩瑩副教授：考慮到較低的材料和設(shè)備成本,，該技術(shù)具有良好的商業(yè)化前景，特別是在個性化可穿戴電子的制備中會有突出優(yōu)勢。



能否透露下您團(tuán)隊的下一步研究計劃,。
張瑩瑩副教授：我們將繼續(xù)致力于新型柔性可穿戴材料,、器件和制備技術(shù)的研究，特別是與蠶絲和納米碳材料相關(guān)的研究,。近期計劃開發(fā)更加豐富多樣的可穿戴傳感功能,，并發(fā)展便捷的可穿戴電子集成技術(shù)。

來源： Cell Press