具有多種材料、復雜結構和復雜功能的細絲在可穿戴電子設備、柔性執(zhí)行器和傳感器中都有著非常重要的作用。墨水直寫（DIW）主要用于打印功能性細絲。然而，由于擠出通道本身結構的不可移動，目前可打印的多材料細絲的復雜性和油墨成分是靜態(tài)不可調節(jié)的。這一局限性嚴重阻礙了墨水直寫3D打印技術的發(fā)展。因此，對打印的組分進行動態(tài)可調的亞體素控制，以指導具有多種結構的細絲的打印，為實現(xiàn)可用于打印復雜結構細絲的墨水直寫技術提供了一種新的策略。

近期，北京航空航天大學機械學院陳華偉課題組提出了一種動態(tài)可調節(jié)的DIW打印策略，該策略將一個可移動的打印針連接到一個Y形微流控噴嘴中，通過調節(jié)擠出壓力和針頭在微流控噴嘴中的運動，能夠精確控制細絲內層的位置、比例和形狀，進而再對細絲內層結構進行精確的亞體素控制，可以制造具有各種復雜結構的細絲。

通過打印平臺，制造了內部波浪型結構的可拉伸電導穩(wěn)定和摩擦電納米發(fā)電機纖維，以實現(xiàn)能量收集和自供電傳感。這種亞體素控制的微流控打印顯著增加了雙材料細絲的復雜性，為柔性電子產(chǎn)品提供了潛在的應用。相關研究內容以“Subvoxel-controlled Microfluidic Printing of Dual-Material and Multi-Structural Filaments”為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies期刊上，陳華偉教授、張力文為通訊作者，碩士生白子涵為第一作者。

該研究構建了一種動態(tài)可調節(jié)的DIW打印平臺，如圖1所示。該平臺由一個三軸線性運動平臺與一個微流控打印頭構成，為了實現(xiàn)亞體素控制的細絲，該打印頭是由一個Y形流道的微流控芯片、一個電機控制的微動臺、一個固定的打印針和一個可移動的打印針組成，兩個打印針從Y形流道的兩個臂中插入。該微流控芯片利用高精度3D打印機制造，內通道尺寸最小為800 μm，通道尺寸決定了打印細絲的直徑及打印的精度，高精度的微流控芯片通道也保證了通道和打印針之間的良好配合。固定打印針為細絲提供外部材料，利用微動臺驅動可移動的打印針，并在細絲所需的位置擠出內部功能材料。動態(tài)準確地控制可動針的擠出壓力和運動下，實現(xiàn)了各種亞體素圖案的細絲，例如一側、居中或逐漸改變的波浪形圖案。

圖1 可編程亞體素控制的雙材料多結構細絲的微流控打印平臺

圖2 利用微流控打印平臺精確控制細絲內層的位置和形狀

圖3 利用微流控打印平臺精確控制細絲內部波浪結構

此外，內外材料的組合可以用其他各種材料替代，從而證明了這種打印策略的普遍性。實驗表明，在打印過程中，通過調整外層材料的粘度以達到適印性要求，但是，對于內部材料的粘度，不需要進行此類調整。為了證明制造功能性細絲的能力，通過將打印材料替換為導電的功能性材料，設計并打印了具有波浪形內部結構的多功能、可拉伸的導電穩(wěn)定纖維和摩擦電納米發(fā)電機纖維。與同軸結構相比，導電穩(wěn)定性和摩擦發(fā)電性能均有所提高。因此，它可以作為智能織物來收集生物力學能量，滿足多樣化的需求。除了打印不同的功能材料外，還可用于制造精密微流控通道、氣動等微納機器人，也為未來宏觀尺度上的墨水直寫技術提供了一種打印方法。

圖4多功能可拉伸電導穩(wěn)定纖維的打印

圖5 可拉伸導電纖維可以作為理想的高度可拉伸的自供電傳感器

審核編輯：劉清