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,。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,，來自南佛羅里達大學 (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。此外,，該項目還獲得了美國國家科學基金會 (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,。

在這個時代，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，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,。為了進一步推進此類技術(shù)，USF大學電氣工程系副教授 Arash Takshi 和創(chuàng)新研究團隊的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 管理的先進膜和材料生物與集成研究實驗室 (AMBIR) 的設(shè)備支持其開發(fā),。

項目的聯(lián)合首席研究員Thomas聲稱，這項發(fā)明有可能改變整個可穿戴電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線,。他說：“這項技術(shù)將進一步推進我們設(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——從實驗室到創(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)小時甚至數(shù)天,。

新設(shè)計的可穿戴電子產(chǎn)品增材工藝包括兩個步驟：首先,，使用激光打印技術(shù)將導電模板應(yīng)用到織物上。在這個過程中,，織物被碳化,，這增強了它的穩(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)計的噴嘴安裝在 3D 打印設(shè)備上,，可實現(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),，最終導致在銅生長的同時電解水，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,，并增強了印刷結(jié)構(gòu)的機械穩(wěn)定性。實現(xiàn)了比傳統(tǒng)電鍍高三個數(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,，由導電納米粒子制成的導電路徑的高電阻限制了其對簡單可穿戴電子設(shè)計的應(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基金會的資金支持,，這種有前途的新方法可以得到進一步發(fā)展，并可能很快被用于不同部門的未來項目,，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。這項技術(shù)甚至可以用來監(jiān)測病人的健康狀況,。事實上,，研究人員似乎確信，盡管在使用之前仍需要許多時間的研究和開發(fā),，但由于更容易實現(xiàn)的可穿戴電子產(chǎn)品,，該技術(shù)有朝一日非常可能在許多方面使我們的生活更輕松,。