研究人员使用3D打印机将可穿戴电子产品编织成衣服

2019年3月28日，南极熊获悉，中国研究人员开发出一种新技术，使用3D打印机将电子材料绑定到服装纺织品上，使他们能够从人体运动中获取生物力学能量。

“我们使用配备自制同轴喷嘴的3D打印机直接在纺织品上打印纤维，并证明它可以用于能源管理目的，”资深作者，清华大学化学系教授张莹莹说。 “我们提出了一种同轴喷嘴方法，因为单轴喷嘴一次只能打印一种墨水，因此极大地限制了打印结构的成分多样性和功能设计。”

（A）使用同轴喷丝头的3D打印过程的示意图。

（B）3D打印过程的照片。

（C）客户设计的纺织品图案的照片，包括SILK的英文字母，鸽子的图案和“打印”的中文字符。

（D）在扭曲和折叠下的智能纺织品，显示出其高度的灵活性。

张教授和她的同事使用两种“油墨”3D打印了他们的第一批纺织品：一种是用作导电芯的碳纳米管溶液，第二种是用蚕丝制成的，用于绝缘导电纤维。 将填充有墨水的两个注射注射器连接到同轴喷嘴，该同轴喷嘴固定在3D打印机上。 这些注射器用于绘制定制设计的图案，其进一步用作摩擦电纳米发电机织物。 据研究人员称，智能纺织品可以从人体运动中获取生物力学能量，并实现高达18 mW / m2的功率密度。

△3D打印的电子纺织品在扭曲和折叠下，显示出其高度的灵活性。 图片来源：张莹莹。

（A）丝茧和获得的SF油墨的照片。
（B）SF墨水中的SF微纤维的光学图像。
（C）高度可注射SF油墨的照片。
（D）CNT粉末和CNT油墨的照片。
（E）CNT良好分散的TEM图像。
（F）在其外壁上由聚合物包裹的多壁碳纳米管的TEM图像; 插图是放大的图像。
（G）作为CNT和SF油墨的剪切速率的函数的表观粘度。
（H）储存（G0）和损耗（G00）模量作为CNT和SF油墨的剪切应力的函数。
（I）挤出后的独立式CNTs @ SF芯鞘纤维的照片，显示出两种油墨的良好可纺性。

新方法比将电子元件缝制到织物中的其他尝试更有效。 3D打印技术使研究人员能够轻松地将多种功能嵌入到织物中。 该方法也便宜且易于扩展，因为喷嘴与现有的3D打印机兼容，并且可以交换部件。 然而，缺点是分辨率限于3D打印机的机械运动精度和喷嘴的尺寸。

（A）显示用于能源管理的智能服装及其性能的示意图。 插图（i）显示了智能网格线的输出Isc密度

印在腋下套袖上的图案由手臂移动而产生。 插图（ii）是电力系统的整流电路图。 插图（iii）显示智能模式的整流输出Isc密度。

（B）使用以不同速度移位的智能图案充电的电容器（3.3mF）的充电曲线。

（C）使用具有13cm / s的位移速度的智能图案充电的不同电容的充电曲线。

（D）显示由3D打印的电子纺织品产生的电力驱动的LED和电子表。

这项研究是在可穿戴技术的使用变得越来越普遍的时候，因为它们提供了潜力。 “我们希望这项工作将激励其他人建造其他类型的3D打印机喷嘴，这些喷嘴可以生成具有丰富成分和结构多样性的设计，甚至可以集成多个同轴喷嘴，可以一步生成多功能电子纺织品，”张说。 “我们的长期目标是设计具有前所未有特性的灵活，可穿戴的混合材料和电子产品，同时开发具有集成功能的智能可穿戴系统的实际生产的新技术，例如传感，驱动，通信和 等等。“

这项工作正在Matter杂志上报道。


论文原文：https://www.cell.com/pb-assets/j ... e-smart-pattern.pdf