來自云南大理的 26 歲白族留學(xué)生王文宇，和課題組聯(lián)合研發(fā)出微納米導(dǎo)電纖維的 3D 打印技術(shù)。論文于 9 月 30 日以《面向平面和 3D 光電和傳感器件的纖維打印》“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures” 為題發(fā)表在 Science Advances 上。

同日，該研究還登上劍橋大學(xué)主頁的熱點(diǎn)新聞，其中王文宇是該論文的第一作者，他的導(dǎo)師黃艷燕是論文的通訊作者。

DeepTech 聯(lián)系到正在劍橋大學(xué)讀博的王文宇和他的導(dǎo)師黃艷燕，他們表示本次研究的主要貢獻(xiàn)，是提出一種打印導(dǎo)電性極好的超細(xì)纖維的首創(chuàng)新方法。

比頭發(fā)細(xì)一百倍、和銅絲一樣導(dǎo)電的微納米纖維

微納米導(dǎo)電纖維具有較高的長徑比、極低的彎曲剛度和高透明度。假如把微納米導(dǎo)電纖維組裝為 3D 結(jié)構(gòu)，就能開發(fā)出新型透明透氣的柔性電子器件，其可以用于健康監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)和生物電子傳感器等。

圖 | 懸浮纖維結(jié)構(gòu)的 IFP 制備

基于上述思路，該團(tuán)隊歷時四年進(jìn)行研發(fā)，并將成果展示在本次論文中：一種通過同心噴頭、來快速精確且靈活地打印懸空微納米纖維的新方法。

據(jù)王文宇介紹，微納米纖維結(jié)構(gòu)跟普通電線相似，它是一個雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是導(dǎo)電內(nèi)心，外層是絕緣高分子包裹物。其直徑只有 1-3μm，和蜘蛛網(wǎng)粗細(xì)差不多，只有人類發(fā)絲直徑的 1% 到 3%。

因此，用微納米纖維制作的呼吸傳感器，是個超小型懸空透明體，它不依附任何底板、比表面積也比較大，因此可以非常靈敏地感受到呼吸中的濕氣。而且，由于其比較細(xì)且可以懸空，這讓氣流可以直接透過纖維網(wǎng)，所以多層纖維網(wǎng)疊加起來就能夠?qū)崿F(xiàn)氣流時空分布的三維檢測，盡管該纖維就像蜘蛛絲一樣細(xì)，但也擁有足夠的韌性，不會輕易被氣流吹斷。

該研究團(tuán)隊展示了利用銀納米顆粒或者有機(jī)導(dǎo)電高分子材料組成的多材料微納米纖維陣列。相比傳統(tǒng)纖維制造工藝，該工藝具有更好的普適性，能夠打印不同材料組成的微納米纖維，同時，能打印出懸空的微納米纖維網(wǎng)。

使用 iFP 光纖創(chuàng)建電路結(jié)構(gòu)

由于 iFP（Inflight fiber printing，懸浮纖維打?。┛纱蛴〕龅睦w維不依附于任何底板，因此與標(biāo)準(zhǔn)透明導(dǎo)體薄膜相比，無襯底導(dǎo)電纖維陣列不存在薄膜襯底吸收和反射光線等問題，因此明顯更為透明。

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊展示了 iFP 流程打印的新型電路架構(gòu)，即 3D “懸浮 LED 電路” 的概念。此外，整個 iFP 流程在低于 100°C 的環(huán)境中完成，因此，纖維陣列能直接集成到熔融溫度較低的材料上，如常用的 3D 打印塑料。

這一優(yōu)勢為低成本和易組裝的 3D “懸浮 LED 電路” 成為可能。本次研究還首次提出一種新方法，即采用一步到位的方法來將打印出來的微納米導(dǎo)電纖維直接集成到電路上，從而減少了傳統(tǒng)導(dǎo)電纖維制備工藝中不可避免的復(fù)雜后處理。

同時，iFP 過程還可以將微納米纖維在打印的同時就將纖維節(jié)點(diǎn) “焊接” 起來，像金屬和高分子這些差異很大的導(dǎo)電纖維，都能被一步到位的 “焊接” 在同一個多材料纖維網(wǎng)絡(luò)中。在具體應(yīng)用中，由于微納米電子纖維具有高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，因此能連接和支撐懸空的微小電子器件，從而制成 3D “懸浮電路”。

基于此，王文宇和團(tuán)隊制作出一款可穿戴呼吸傳感器，由于導(dǎo)電纖維具有高透氣性，該傳感器能在水汽自由透過的情況下，檢測呼出氣體水汽的時空分布信息。

圖 | 可穿戴的低成本呼吸檢測器

具體來說，該傳感器可以檢測正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同狀態(tài)下的呼吸頻率和呼出氣體擴(kuò)散情況。由于 iFP 打印出的微納米纖維電阻和濕度成正相關(guān)，因此直接將在纖維陣列兩端檢測到的電阻除以一個系數(shù)后，就直接得出濕度，這樣做的好處是可以讓檢測更高效，更低耗能和更直觀。

該團(tuán)隊告訴 DeepTech，該傳感器在檢測快速呼吸時的分辨率，明顯優(yōu)于同類商用傳感器，這得益于微納米纖維的高靈敏度。研究小組發(fā)現(xiàn)，織物或手術(shù)口罩的大部分泄漏均來自口罩正面，而 N95 口罩的大部分泄漏來自頂部和側(cè)面與臉鼻接觸的部位。

但是，兩種類型的口罩在正確佩戴時均有助于減弱正向的呼出氣流強(qiáng)度。在實驗中，王文宇將呼吸傳感器置于不同類型口罩的外側(cè)，以檢測正常呼吸和咳嗽時呼出氣流的分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一次性口罩和 N95 口罩只要正確佩戴，均可以減弱正向的呼出氣流強(qiáng)度。

視頻 | 王文宇在做實驗（來源：王文宇）

這樣一款多材料的三維可穿戴傳感器，和智能手機(jī)結(jié)合在一起，可以方便的檢測呼吸時的口部狀況、呼吸時氣體的走向、氣體的濕度、呼吸的頻率、咳嗽聲音的異常。

這么多維度信息結(jié)合起來，可為遠(yuǎn)程健康診斷提供更好、更便宜的解決方案。盡管該傳感器目前無法做到檢測病毒顆粒，但是諸多研究都表明，新冠病毒等病毒和微生物可通過呼吸道飛沫和氣溶膠傳播。

因此，通過測量不同類型的呼出氣體分布和方向，可以指導(dǎo)人們合理選用和佩戴口罩。除纖維傳感器以外，3D 打印微納米導(dǎo)電纖維技術(shù)還可制備出很多產(chǎn)品。

比如，該纖維還能引導(dǎo)且感受到生物細(xì)胞在纖維上的表現(xiàn)。因為微納米纖維是用 3D 打印出來的，而 3D 打印的優(yōu)勢，在于其可以靈活打印各種模型。以本次展示的多種產(chǎn)品模型為例，后續(xù)還可進(jìn)行再轉(zhuǎn)化和多方面的應(yīng)用。

王文宇表示，日后還可通過技術(shù)優(yōu)化，來讓該纖維檢測呼吸時口中的其他氣體，比如呼出來的氨氣、二氧化碳、酒精含量等，這些氣體的含量可以間接的反映身體的健康狀況。

除呼吸傳感器外，3D 纖維打印技術(shù)還可用于制造生物相容性導(dǎo)電高分子纖維，這種纖維可引導(dǎo)細(xì)胞運(yùn)動、并能將這種動態(tài)過程以電信號方式輸出，這可給日后生物電子設(shè)備的發(fā)展和 3D 細(xì)胞檢測，提供一定的研究思路。

而小型導(dǎo)電纖維之所以表現(xiàn)優(yōu)異，一是因為其具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，二是因為檢測直觀。因為它的體積非常小，因此其底表面積的值就越大，再加上它可以懸空，所以能靈敏地檢測濕氣的變化。

據(jù)王文宇的導(dǎo)師黃艷燕介紹，本次傳感器的制造材料成本大概在 10 元人民幣以下。如果大批量生產(chǎn)價格會更低，再考慮人工和機(jī)器，成本估計大約幾塊錢。

不過黃艷燕也對其他媒體坦言：“與傳統(tǒng)的薄膜技術(shù)相比，由小型導(dǎo)電纖維制成的傳感器對 3D 流體和氣體的體積檢測特別有用，但到目前為止，打印它們并將其結(jié)合到設(shè)備中大規(guī)模制造它們一直是一個挑戰(zhàn)?！?/p>

談及研究中難忘的事情，王文宇表示，該項目持續(xù)長達(dá)三四年，才做出這樣的成果，期間黃艷燕這位來自中國深圳的華人教授，給了他很多指導(dǎo)。

一年多前，在課題組進(jìn)行的過程中，黃艷燕剛好生二寶，但是即便剛生完寶寶，她也沒有落下課題組工作，甚至讓學(xué)生去她家里開會和討論。

有一次，王文宇去黃艷燕家里開會，突然聽到小孩在二樓的哭聲。這讓他非常感慨，作為一名母親和一位教授，同時要奔波在家庭和課題組兩頭。

與此同時，黃艷燕本身也是劍橋大學(xué)工程系里面少有的年輕女性科學(xué)家。而黃艷燕眼中的王文宇，則一個善于合作的人。她說在合作論文時，即便王文宇是二作、或者是署名更靠后的論文，他都會很努力地去做。

來劍橋之前，王文宇在清華大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)。來劍橋之后，他曾接待清華校友參觀他所在的實驗室。學(xué)習(xí)之余，他還是清華校友會劍橋地區(qū)的負(fù)責(zé)人，平日負(fù)責(zé)組織校友活動，2020 年初還曾組織校友為武漢募捐醫(yī)療用品，捐贈物品分別發(fā)往湖北武漢、黃岡和宜昌的三家醫(yī)院。

這位高中畢業(yè)于云南師大附中的白族男孩，課余喜歡讀書和旅游。如果說實驗室的小小天地，是他發(fā)揮才華的專業(yè)園圃，那么，在海外運(yùn)營清華校友會，并號召捐贈疫情中的湖北，則是這位 90 后身在海外不忘家國的體現(xiàn)。他課余發(fā)表過文章的公眾號，也經(jīng)常發(fā)布華為英國的招聘信息。

王文宇和導(dǎo)師黃艷燕都來自中國，這次成果已經(jīng)得到很多外媒報道，但黃艷燕收到 DeepTech 的報道邀約時，雖然她的中文不甚流暢，但還是盡量用中文交流。技術(shù)上進(jìn)，情懷熱切，是這對華人師生給人的最大印象。

原文標(biāo)題：比頭發(fā)細(xì)一百倍！26歲白族小伙聯(lián)合發(fā)明3D打印微納米纖維傳感器，成本不到十塊錢

文章出處：【微信公眾號：DeepTech深科技】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq