微納級(jí)3D打印頻現(xiàn)Science,、Nature等頂刊,，成科研創(chuàng)新熱點(diǎn)

南極熊導(dǎo)讀：微納級(jí)3D打印是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它能夠在微米和納米尺度上創(chuàng)建復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu),。這項(xiàng)技術(shù)在光學(xué),、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域的微型化,、功能化和集成化發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用,。微納級(jí)3D打印現(xiàn)在已經(jīng)成為科研突破的熱點(diǎn)，科研上的創(chuàng)新擴(kuò)展了微納級(jí)3D打印的各種材料和應(yīng)用領(lǐng)域,。而國(guó)內(nèi)微納級(jí)3D打印大廠摩方精密,，更是助力了一批大學(xué)在Science、Nature等國(guó)際頂級(jí)期刊發(fā)表了重磅成果,。

《Science Robotics》封面文章：面向機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的基于半球形納米線陣列的超寬視場(chǎng)針孔復(fù)眼

2024年,，香港科技大學(xué)范智勇教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的針孔復(fù)眼（PHCE）系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了3D打印的蜂窩狀光學(xué)結(jié)構(gòu)和半球形的全固態(tài)高密度鈣鈦礦納米線（PNA）光電探測(cè)器陣列,。這種無(wú)透鏡的針孔結(jié)構(gòu)（PHA）可以根據(jù)底層圖像傳感器的需求,，設(shè)計(jì)制備出任意布局。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比光學(xué)模擬和成像結(jié)果驗(yàn)證了該視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性和功能，包括超寬視場(chǎng),、精準(zhǔn)的目標(biāo)定位和運(yùn)動(dòng)跟蹤能力,。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步演示了PHCE系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)上的功能集成，使其能夠跟蹤地面上的四足機(jī)器人,。這種獨(dú)特的空中-地面協(xié)作機(jī)器人互動(dòng)展示了PHCE系統(tǒng)在未來(lái)多機(jī)器人協(xié)作和機(jī)器人群技術(shù)開(kāi)發(fā)中的潛在應(yīng)用前景,。



相關(guān)工作以“An ultrawide field-of-view pinhole compound eye using hemispherical nanowire array for robot vision”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science Robotics》，并當(dāng)選當(dāng)月封面文章,。香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系博士后周宇,、孫梽博和博士研究生丁宇宬為文章共同第一作者，香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系講席教授范智勇為文章通訊作者,。該工作得到了香港研究資助局項(xiàng)目,、粵港澳聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目、科學(xué)探索獎(jiǎng)以及中銀香港科技創(chuàng)新獎(jiǎng)的大力支持,。

圖1. PHCE及其集成組件的示意圖和圖像,。(A)PHCE整體結(jié)構(gòu)示意圖。(B)PHCE系統(tǒng)的剖視圖,。(C)半球形多孔氧化鋁膜中鈣鈦礦納米線的橫截面電鏡圖像和宏觀照片,。(D)強(qiáng)盜蠅眼的宏觀照片。(E)安裝在印刷電路板上的PHCE系統(tǒng)的側(cè)視照片,。(F)相鄰針孔單元的橫截面示意圖,。(G) 不同小眼間角下針孔像素?cái)?shù)量與整體視場(chǎng)角的相對(duì)關(guān)系。(H)單個(gè)針孔和針孔陣列角度依賴的歸一化強(qiáng)度分布,。

要點(diǎn)：研究者受到昆蟲(chóng)（例如強(qiáng)盜蠅）復(fù)眼獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)的啟發(fā),，設(shè)計(jì)了蜂窩狀的針孔陣列，通過(guò)光學(xué)計(jì)算和模擬仿真優(yōu)化了有限像素?cái)?shù)下的接受角Δφ,、小眼間角ΔΦ,，確定了對(duì)應(yīng)針孔的最佳長(zhǎng)度直徑比，可以消除相鄰小眼之間的盲區(qū)并減少光效率損失,。研究者使用摩方精密面投影微立體（PμSL）光刻3D打印技術(shù)（nanoArch® P140,，精度：10 μm）制備了對(duì)應(yīng)幾何參數(shù)的針孔陣列，并與半球殼的凸面共形,，原料為光敏樹(shù)脂,。由于高打印自由度和簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)，上述針孔陣列的參數(shù)可以很好地設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào),，以滿足對(duì)應(yīng)圖像傳感器的需求,。


要點(diǎn)：鈣鈦礦納米線是在氧化鋁納米通道內(nèi)以鉛納米線作為前驅(qū)體之一生長(zhǎng)的，未完全消耗的鉛與鈣鈦礦形成接觸,，在除去基底后,，通過(guò)熱蒸鍍的方式制備凹球面的銦電極,，研究者使用PμSL 3D打印技術(shù)制備了與半球殼凹面共形的掩膜版,。氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦材料提供了天然的封裝,，提高了器件的工作性能。通過(guò)調(diào)節(jié)鈣鈦礦中的鹵素和金屬元素,，PNA光電探測(cè)器感測(cè)區(qū)域可以從可見(jiàn)拓展到近紅外,。在弱光下，探測(cè)器的響應(yīng)度可達(dá)到2.9 A/W,，隨著光照強(qiáng)度的增加,，光電流增加而響應(yīng)度減小。此外,，未封裝的器件在常規(guī)環(huán)境中存放 10 個(gè)月后,，仍保持超過(guò)80%的原始光電流數(shù)值。

原文鏈接:
https://doi.org/10.1126/scirobotics.adi8666


《Nature》：可注射超聲傳感器用于顱內(nèi)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

2024年6月,，華中科技大學(xué)臧劍鋒教授,、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授團(tuán)隊(duì)攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器,，有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風(fēng)險(xiǎn)和術(shù)后并發(fā)癥等問(wèn)題,，同時(shí)避免現(xiàn)有無(wú)線電子傳感器體積過(guò)大、無(wú)法體內(nèi)降解等臨床應(yīng)用挑戰(zhàn),。相關(guān)研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為題在線發(fā)表于《Nature》雜志,。



△"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"

研究背景：
當(dāng)前，臨床上監(jiān)測(cè)顱內(nèi)壓等關(guān)鍵生理指標(biāo)的技術(shù),，通常需要通過(guò)外科手術(shù)將有線傳感器植入患者顱內(nèi),。這種方法存在一定風(fēng)險(xiǎn)，如術(shù)后感染和并發(fā)癥等,。盡管現(xiàn)有的無(wú)線電子傳感器能夠在一定程度上降低這些風(fēng)險(xiǎn),，但由于它們的體積較大（例如，傳統(tǒng)電子元件的截面積往往超過(guò)1平方厘米）,，因此不適合通過(guò)微創(chuàng)注射方式植入,。此外，由于無(wú)線電子傳感器不能在體內(nèi)自然降解,，患者還需要進(jìn)行二次手術(shù)來(lái)移除它們,。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設(shè)計(jì)原理--基于超聲反射的超凝膠無(wú)線顱內(nèi)生理傳感器示意圖,。

研究?jī)?nèi)容：
●研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種新型傳感器結(jié)構(gòu),，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成,，體積僅為2×2×2mm3,。這種可注射傳感器是研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(shù)(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成,。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學(xué)帶隙，對(duì)入射超聲波有很強(qiáng)的反射能力,。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成,，注射入體約1個(gè)月后可自然降解，無(wú)需再次開(kāi)顱取出,。

●在大鼠和豬的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,，這一凝膠傳感系統(tǒng)展現(xiàn)出媲美商用有線臨床設(shè)備的檢測(cè)精度，且在耗能,、無(wú)熱效應(yīng)等方面表現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì),。值得一提的是，在實(shí)驗(yàn)豬體內(nèi),，它甚至能檢測(cè)到微小的呼吸引起的顱內(nèi)壓力細(xì)微波動(dòng)(約1 mmHg),，而同步植入的有線壓力傳感器則無(wú)法監(jiān)測(cè)到如此精細(xì)的變化。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

《Adv.Mater》：具有高透水透氣性,、穩(wěn)定黏附和長(zhǎng)時(shí)間耐用性的仿樹(shù)蛙腳蹼的可穿戴柔性電極

2024年6月,，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種仿樹(shù)蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極,，用于生理電信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè),。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度：2μm)高精度3D打印設(shè)備加工模具后使用導(dǎo)電復(fù)合材料翻模制備而成。相關(guān)研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability”發(fā)表在《Advanced Materials》上,。



研究背景
近年來(lái),，隨著生理電信號(hào)在輔助醫(yī)療、科學(xué)訓(xùn)練及神經(jīng)科學(xué)研究等的領(lǐng)域的不斷深入和廣泛應(yīng)用,，可穿戴柔性電極成為了眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn),。非侵入式柔性電極能夠?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子元器件可讀取的電子信號(hào)，成為了連接這兩者的橋梁,。然而如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號(hào)的采集,、實(shí)現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定粘附及提高長(zhǎng)時(shí)間穿戴舒適性，是阻礙柔性電極應(yīng)用的研究難點(diǎn),。盡管已有研究團(tuán)隊(duì)提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結(jié)構(gòu),，但仍舊難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機(jī)統(tǒng)一,。因此,，開(kāi)發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩(wěn)定性的柔性電極十分必要。


△設(shè)計(jì)靈感來(lái)源及結(jié)構(gòu)展示——仿生靈感來(lái)源&電極結(jié)構(gòu)示意

研究?jī)?nèi)容
●研究人員設(shè)計(jì)了一種兼具高透水透氣性,、穩(wěn)定粘附性及長(zhǎng)時(shí)間耐用性的柔性可穿戴電極,。在設(shè)計(jì)完成電極的微觀結(jié)構(gòu)之后,，研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)加工了具有良好一致性的樹(shù)脂模具，并通過(guò)模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極（對(duì)比組）,。仿生電極相較于對(duì)比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍,，實(shí)現(xiàn)了在干/濕環(huán)境下的穩(wěn)定附著。

●研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過(guò)率,，該電極的正向/逆向水蒸氣透過(guò)率相較于棉織物提升了近12/6倍,，實(shí)現(xiàn)了較好的透氣性能。最后,，研究團(tuán)隊(duì)采集了多種生理電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了分析,。相較于已報(bào)道文獻(xiàn),，本文所提出的仿生電極在機(jī)械性能、電學(xué)性能及電極性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的均衡性能,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202404761

《Additive Manufacturing》:通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的擠出頭調(diào)控纖維內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)

2024年6月,，來(lái)自西湖大學(xué)工學(xué)院周南嘉團(tuán)隊(duì)提出了一種模塊化策略設(shè)計(jì)擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維,，并用來(lái)制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體,。研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Additive Manufacturing》上。


△Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads

研究背景
直接墨水書(shū)寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法,，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢(shì),。為了擴(kuò)展擠出過(guò)程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設(shè)計(jì)已被用于創(chuàng)建多功能纖維結(jié)構(gòu),。然而,，由于高分辨率微流道的設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性，目前擠出頭的結(jié)構(gòu)選擇仍然有限,。


△(a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片,。(b):定制的四軸打印平臺(tái)(左)和在3D打印設(shè)備中組裝的擠出頭(右)。比例尺,，5 mm (a),。

研究?jī)?nèi)容
西湖大學(xué)工學(xué)院周南嘉團(tuán)隊(duì)提出了一種模塊化策略設(shè)計(jì)擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維,，并用來(lái)制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體,。不同功能的模塊可以通過(guò)串聯(lián)，并聯(lián),，串并聯(lián)等不同的方式進(jìn)行連接組裝,，用來(lái)制備具有層狀結(jié)構(gòu)和棋盤結(jié)構(gòu)的多材料纖維。纖維內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù),，模塊的種類數(shù)量和尺寸進(jìn)行控制,。通過(guò)模塊化平臺(tái)策略,，極大的簡(jiǎn)化了擠出頭設(shè)計(jì)的難度，提高了具有周期性結(jié)構(gòu)纖維的加工效率,。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印設(shè)備（精度：10μm）一體化成型制造而成,。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234
Nature Communications：超快響應(yīng)電容型電子皮膚

南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系郭傳飛教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系王柳教授,、中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司陳迎春研究員研究團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一種超快響應(yīng)的電容型電子皮膚,。團(tuán)隊(duì)深入研究了微結(jié)構(gòu)界面的能量耗散對(duì)電容型柔性壓力傳感器響應(yīng)-恢復(fù)速度的影響，采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術(shù),，將這類傳感器的頻率帶寬從數(shù)百赫茲擴(kuò)展至至少12500 Hz,，該研究為推動(dòng)電容型柔性壓力傳感器從動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)到聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。

相關(guān)成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上,，南方科技大學(xué)材料系博士研究生張?jiān)�,、中�?guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院高級(jí)工程師周小猛、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系碩士研究生張念為本文的共同第一作者,，郭傳飛教授,、王柳教授和陳迎春研究員作為共同通訊作者，南方科技大學(xué)為該論文的第一通信單位,。

通過(guò)有限元模擬,，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在粘附-脫附過(guò)程中微結(jié)構(gòu)界面所能引發(fā)的顯著能量耗散的現(xiàn)象，這在一定程度上導(dǎo)致了器件響應(yīng)速度的下降,。針對(duì)這一問(wèn)題,，該團(tuán)隊(duì)采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術(shù)，同時(shí)結(jié)合彈性體-碳納米管的滲流轉(zhuǎn)變傳感機(jī)制,，使傳感器在保證較高靈敏度的同時(shí),，其響應(yīng)速度成功提升至12500 Hz水平。團(tuán)隊(duì)采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設(shè)備,，實(shí)現(xiàn)了微錐結(jié)構(gòu)模板的高精度打�,。ㄖ睆剑�50 μm，高度：40 μm）,，并結(jié)合倒模技術(shù)制備了柔性PDMS-CNTs微結(jié)構(gòu)介電層,。通過(guò)采用摻雜碳納米管降低粘彈性，結(jié)合粘接的微結(jié)構(gòu)界面減少界面摩擦能量耗散,，實(shí)現(xiàn)了傳感器的超快響應(yīng)（圖1）,。

圖1. 具有非粘接和粘接微結(jié)構(gòu)界面的傳感器在加載和卸載過(guò)程中的能量損失對(duì)比、粘合微結(jié)構(gòu)界面的傳感器的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間

粘合微錐界面可減少在接觸-分離過(guò)程中的能量耗散,，從而提高傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)速度,。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)有限元模擬進(jìn)一步研究了微錐結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間的影響。通過(guò)調(diào)整微錐結(jié)構(gòu)的三個(gè)重要參數(shù)：高度H,、初始接觸面積A0以及直徑D,，研究了不同參數(shù)的微錐結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)和回復(fù)時(shí)間的影響,，從而實(shí)現(xiàn)了低能量耗散、高靈敏度和高機(jī)械穩(wěn)定性的平衡,。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z


微納級(jí)3D打印發(fā)展
微納級(jí)3D打印是一種高精度的制造技術(shù),，利用高精度的材料成型技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)字化模型,，可以實(shí)現(xiàn)微小物體和微結(jié)構(gòu)的精確打印,，被廣泛應(yīng)用于微電子、微機(jī)械,、微光學(xué)等領(lǐng)域,。微納級(jí)3D打印也是目前全球先進(jìn)制造熱點(diǎn)之一，因?yàn)殡S著光學(xué),、醫(yī)療,、電子等應(yīng)用領(lǐng)域的器件微型化、功能化和集成化的發(fā)展趨勢(shì),，越來(lái)越多的器件的核心設(shè)計(jì)都依賴于3D復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)。

目前能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)制造（加工）,，并已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化技術(shù)路徑的大類包括深紫外光刻,、納米壓印、電子束加工（電能最終轉(zhuǎn)化為熱能）,、離子束加工（電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,，離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入,。微納 3D 打印這一大類別的技術(shù)在復(fù)雜3D微納結(jié)構(gòu),、高深寬比微納結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料3D微納結(jié)構(gòu)制造方面都具有很大的潛能和突出優(yōu)勢(shì)，而且還具有設(shè)備簡(jiǎn)單,、效率高,、用材廣泛、無(wú)需掩�,；蚰＞咧苯映尚偷葍�(yōu)點(diǎn),。

尖端技術(shù)