劍橋大學(xué)研發(fā)電子纖維傳感器，性能超越傳統(tǒng)的薄膜傳感器設(shè)備

　　近日，來自劍橋大學(xué)的研究人員表示，他們利用3D打印技術(shù)制造出了這些 “看不見 ”的電子纖維，每根纖維比人的頭發(fā)還要細(xì)100倍。 作為傳感器，這些纖維的功能超越了傳統(tǒng)的薄膜傳感器設(shè)備。

　　3D打印電子纖維的實現(xiàn)，可能會將能夠像人類一樣感知氣味、聲音和觸摸的設(shè)備照進(jìn)現(xiàn)實。這種 “看不見 ”的3D打印纖維傳感器可用于為能夠感知呼吸和聲音的電子設(shè)備和傳感器供電。

　　價格低廉且靈敏度極高的電子纖維

　　小直徑導(dǎo)電纖維具有獨特的特性，使其有別于其他類別的薄膜型導(dǎo)電微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有的制造技術(shù)，如化學(xué)生長，濕法紡絲和2D/3D直接打印不容易允許纖維架構(gòu)的組裝。

　　這就導(dǎo)致了利用纖維的獨特特性組合的設(shè)備功能：方向性、導(dǎo)電性和高表面積-體積比。

　　為了解決這一難題，劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的打印方法，可以用來制造非接觸式、可穿戴、便攜式呼吸傳感器，這些傳感器具有高靈敏度和廉價的生產(chǎn)方式。它們還可以連接到智能手機(jī)等電子設(shè)備上，同時收集呼吸模式信息、聲音和圖像。

　　便攜式三層光纖傳感器可以連接到智能手機(jī)的前置攝像頭上，將單層光纖傳感器定位在鼻子上方。圖片（修改后）由Science Advances提供使用。

　　根據(jù)研究論文，這種纖維在健康監(jiān)測（例如呼吸頻率）和物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用可能特別有用。

　　該研究的第一作者、劍橋大學(xué)工程系博士生Andy Wang使用纖維傳感器測量了在不同的模擬呼吸條件下，如正常呼吸、快速呼吸和咳嗽時，通過面罩漏出的呼吸水分量。

　　據(jù)Wang介紹，纖維傳感器的性能優(yōu)于目前的同類商業(yè)傳感器，尤其是在監(jiān)測快速呼吸時。

　　飛行光纖打?。↖FP）

　　Wang和他的同事使用他們開發(fā)的一種被稱為飛行纖維打印(IFP)的方法，3D打印了復(fù)合纖維，這些纖維由銀和/或半導(dǎo)體聚合物制成。

　　這種技術(shù)創(chuàng)造了一種芯殼纖維結(jié)構(gòu)，高純度導(dǎo)電纖維芯包裹在薄薄的聚合物護(hù)套中，作為保護(hù)涂層。它與電線的結(jié)構(gòu)非常相似，但規(guī)模小得多，直徑只有幾微米。

　　研究團(tuán)隊的IFP纖維傳感器附著在面罩上，以高靈敏度檢測人體呼吸。圖片使用由劍橋大學(xué)提供

　　IFP是在低于100℃的溫度下進(jìn)行的，這就形成了薄型導(dǎo)電纖維陣列的原位鍵。這些纖維可以懸浮或放置在表面，不需要后處理。通過優(yōu)化纖維的尺寸，研究人員聲稱他們已經(jīng)展示了一種快速在電路上創(chuàng)建小直徑導(dǎo)電纖維的多功能技術(shù)。

　　為 “浮動電子架構(gòu) ”讓路

　　作為概念驗證，研究人員通過基于溶液的反應(yīng)合成和有機(jī)導(dǎo)電的PEDOT:PSS纖維，生產(chǎn)出了無機(jī)金屬銀纖維。

　　研究人員表示，由于IFP能夠?qū)⒗w維直接制造到電路上，他們能夠利用纖維陣列的功能優(yōu)勢來探索IFP工藝所提供的新型電路架構(gòu)。也就是說，這種工藝為3D “浮動電子架構(gòu) ”的概念打開了大門，這種架構(gòu)將有機(jī)和無機(jī)纖維材料融合在同一個透明導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中。

　　3D分層浮動電路的架構(gòu)。圖片（修改后）由Science Advances提供使用。

　　目前，該團(tuán)隊正在尋求開發(fā)一些多功能傳感器的IFP方法。