智能穿戴提升新高度,，USF研究人員開發(fā)出在織物上3D打印銅的新方法

導(dǎo)讀：可穿戴電子產(chǎn)品正變得越來越普遍,，身上的衣服可以通過有線連接到一系列設(shè)備,，比如戴在帽子里的耳機(jī),。未來,，使可穿戴設(shè)備電路小型化,、與衣物或其他物體可貼合將會成為可穿戴技術(shù)發(fā)展的主要方向,。

2022年7月26日，南極熊獲悉,，來自南佛羅里達(dá)大學(xué) (USF)電氣工程系的研究人員在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域取得了新的突破：他們開發(fā)出一種新穎的電化學(xué)方法,，可以將銅直接3D打印在絲織物上，相關(guān)的專利（A. Takshi,，SM Rosa-Ortiz,，專利號 11,214,884）也已獲得批準(zhǔn),。此外，該項(xiàng)目還獲得了美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 369,574 美元的官方資助,，這將推動可穿戴電子產(chǎn)品的制作水平提升到一個(gè)新的高度,。

△直接在織物上打印，將可穿戴技術(shù)提升到更高水平,。

在這個(gè)時(shí)代,，電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了幾十年前難以想象的水平。,，那些僅有著單一用途的笨重設(shè)備的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了,。如今，我們擁有智能手表,、多功能耳機(jī),，甚至可穿戴電腦眼鏡，并且將可穿戴電子設(shè)備嵌入到衣服中的可能性指日可待,。為了進(jìn)一步推進(jìn)此類技術(shù),，USF大學(xué)電氣工程系副教授 Arash Takshi 和創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)的Sylvia Thomas 教授開發(fā)了一種稱為析氫輔助 (HEA) 電鍍的新方法，使直接在絲織物上打印銅成為可能,，這一創(chuàng)新想法為更多的技術(shù)創(chuàng)新打開了大門,。

△ArashTakshi 教授在工作中（圖片來源：USF）

使用3D 打印銅創(chuàng)建可穿戴電子產(chǎn)品

這種新穎的工藝類似于 3D 打印，并且通過使用由 Thomas 管理的先進(jìn)膜和材料生物與集成研究實(shí)驗(yàn)室 (AMBIR) 的設(shè)備支持其開發(fā),。

項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員Thomas聲稱,，這項(xiàng)發(fā)明有可能改變整個(gè)可穿戴電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線。他說：“這項(xiàng)技術(shù)將進(jìn)一步推進(jìn)我們設(shè)想的可穿戴電子產(chǎn)品,、紡織電子產(chǎn)品和我們今天所知道的柔性電子產(chǎn)品的方式——從實(shí)驗(yàn)室到創(chuàng)新再到產(chǎn)品,，”

盡管銅電鍍已使用多年，但傳統(tǒng)電鍍使用低電壓和高電流,，以每秒幾百納米的速度沉積銅,。以這樣的速度,，在一件衣服上打印電路布局需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天,。

新設(shè)計(jì)的可穿戴電子產(chǎn)品增材工藝包括兩個(gè)步驟：首先，使用激光打印技術(shù)將導(dǎo)電模板應(yīng)用到織物上,。在這個(gè)過程中,，織物被碳化，這增強(qiáng)了它的穩(wěn)定性,，使其更耐用,。在下一步中，電鍍銅用于產(chǎn)生連續(xù)的銅圖案,，在織物上形成電子元件的電路布局,。特殊設(shè)計(jì)的噴嘴安裝在 3D 打印設(shè)備上,，可實(shí)現(xiàn)局部電鍍，并使銅在電子元件端子和電路印刷布局之間的連接處生長,，并在室溫下焊接它們,。新方法與以往制作方法的主要區(qū)別在于，Takshi和Thomas的方法在制作過程中施加了相對較大的電壓,，仍然在 2-3 V 的范圍內(nèi),，最終導(dǎo)致在銅生長的同時(shí)電解水，這種稱為析氫輔助 (HEA) 電鍍的方法突破了銅生長的限制,，使過程更快,，并增強(qiáng)了印刷結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)電鍍高三個(gè)數(shù)量級的速率,。

Arash Takshi 教授解釋說：“目前的可穿戴電子技術(shù)主要基于印刷由金屬和/或碳納米顆粒組成的導(dǎo)電油墨,。該過程依賴于圖案干燥后納米顆粒的物理連接。然而,，由導(dǎo)電納米粒子制成的導(dǎo)電路徑的高電阻限制了其對簡單可穿戴電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用,，這些并不適用于敏感測量和高電流應(yīng)用�,！� 通過這種兩步法的增材制造工藝,，將有可能創(chuàng)造出這些更持久的可穿戴設(shè)備，而不會像使用焊接等方法時(shí)經(jīng)常容易出現(xiàn)損壞織物的情況,。

有了最近獲得的專利和國家科學(xué)基金會的資金支持,，這種有前途的新方法可以得到進(jìn)一步發(fā)展，并可能很快被用于不同部門的未來項(xiàng)目,，如衛(wèi)生,、軍事，甚至航空航天,。例如,，士兵可以穿上新的智能服來幫助他們作戰(zhàn)，或者宇航員可以擁有有利于他們執(zhí)行太空任務(wù)的衣服,。這項(xiàng)技術(shù)甚至可以用來監(jiān)測病人的健康狀況,。事實(shí)上，研究人員似乎確信,，盡管在使用之前仍需要許多時(shí)間的研究和開發(fā),，但由于更容易實(shí)現(xiàn)的可穿戴電子產(chǎn)品，該技術(shù)有朝一日非�,？赡茉谠S多方面使我們的生活更輕松,。