Nature子刊：韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)使用直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)3D打印技術(shù)制造智能紡織品

2025年5月，南極熊獲悉，韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）材料科學(xué)與工程系研究團(tuán)隊(duì)在npj Flexible Electronics期刊發(fā)表重要研究成果，題為Fabrication of multifunctional wearable interconnect E-textile platform using direct ink writing (DIW) 3D printing（利用直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW) 3D打印技術(shù)制造多功能可穿戴互連電子紡織品平臺(tái)），推動(dòng)了智能紡織品領(lǐng)域的發(fā)展。



研究背景
紡織品作為人類(lèi)生活中不可或缺的一部分，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)一直伴隨著我們的日常生活。然而，當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D將電子功能融入這些熟悉的材料中時(shí)，卻遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電子紡織品（E-textiles）制造方法通常復(fù)雜繁瑣。

傳統(tǒng)的紗線(xiàn)涂層和紡織品涂層技術(shù)雖然在一定程度上解決了問(wèn)題，但隨著性能要求的提高，生產(chǎn)方法變得越來(lái)越復(fù)雜，生產(chǎn)時(shí)間也大大延長(zhǎng)。特別是絲網(wǎng)印刷技術(shù)，需要為每個(gè)不同的設(shè)計(jì)制作獨(dú)特的模板，電子紡織品往往需要適應(yīng)不同人體形狀，這大大增加了所需模板的數(shù)量。


△直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)打印紡織電子器件概述。(a) 在紡織品上DIW打印觸覺(jué)傳感器用于集成可穿戴設(shè)備的示意圖(b)在各種紡織品上3D打印應(yīng)變傳感器和電極的照片(c)應(yīng)變傳感器和電極的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。

在這樣的背景下，KAIST研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）3D打印技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)多功能可穿戴電子紡織品。這項(xiàng)技術(shù)就像是給傳統(tǒng)紡織品裝上了"智能大腦"，讓普通的布料具備了感知和響應(yīng)的能力。

研究?jī)?nèi)容

●應(yīng)變傳感器：織物中的"神經(jīng)系統(tǒng)"
研究團(tuán)隊(duì)制造了應(yīng)變傳感器，它就像是織物中的神經(jīng)系統(tǒng)，能夠精確感知各種形變。這種傳感器采用了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和多壁碳納米管（MWCNT）的復(fù)合材料。


△3D打印應(yīng)變傳感器的傳感性能

這種應(yīng)變傳感器具備卓越的性能指標(biāo)：靈敏度系數(shù)高達(dá)11.07，線(xiàn)性度接近完美（R²≈0.99），最大應(yīng)變范圍可達(dá)102%。更重要的是，即使在30%應(yīng)變下經(jīng)過(guò)10,000次循環(huán)測(cè)試后，傳感器仍能保持穩(wěn)定的性能，展現(xiàn)出了出色的耐久性。

●互連電極：智能的"血管系統(tǒng)"
第二種要介紹的是互連電極，它就像是智能紡織品的血管系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸和連接。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用銀片和聚苯乙烯（PS）在甲苯中的混合物，通過(guò)控制墨水的粘度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同程度的滲透。通過(guò)調(diào)節(jié)墨水的滲透深度（從10%到100%），可以選擇性地連接紡織品的兩面，形成類(lèi)似電路板中過(guò)孔的結(jié)構(gòu)。即使在應(yīng)變和壓力作用下，這些電極也能保持穩(wěn)定的電阻值（0.2-0.4Ω），確保信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
●溫度傳感器：可視化的"溫度計(jì)"
研究團(tuán)隊(duì)第三個(gè)開(kāi)發(fā)的是溫度傳感器，采用了變色染料技術(shù)。與傳統(tǒng)需要電極和信號(hào)處理系統(tǒng)的溫度傳感器不同，這種傳感器通過(guò)顏色變化來(lái)直觀顯示溫度范圍，就像是一個(gè)可視化的溫度計(jì)。當(dāng)溫度從0°C變化到90°C時(shí)，傳感器能在五秒內(nèi)完成顏色轉(zhuǎn)換，為用戶(hù)提供直觀的溫度反饋。

實(shí)際應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室到日常生活

●人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)：智能運(yùn)動(dòng)服的誕生
研究團(tuán)隊(duì)將應(yīng)變傳感器集成到運(yùn)動(dòng)服中，在肩部、肘部?jī)?nèi)側(cè)和膝蓋等主要關(guān)節(jié)部位放置傳感器。通過(guò)監(jiān)測(cè)這些關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式，系統(tǒng)能夠識(shí)別用戶(hù)正在進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型，無(wú)論是跑步、開(kāi)合跳還是俯臥撐，都能被準(zhǔn)確識(shí)別和量化。


△DIW 3D 打印集成可穿戴紡織品用于健康監(jiān)測(cè)

除了用于運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練監(jiān)測(cè)，還可以應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)、老年人健康監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域。想象一下，未來(lái)的運(yùn)動(dòng)服能夠記錄你的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析你的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，提供個(gè)性化的健康建議。

●呼吸監(jiān)測(cè)：智能口罩的新功能
在新冠疫情讓口罩成為日常必需品的今天，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的智能口罩顯得格外有意義。通過(guò)在棉質(zhì)口罩上集成應(yīng)變傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的呼吸模式。實(shí)驗(yàn)顯示，在進(jìn)行30次開(kāi)合跳運(yùn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠清晰地記錄呼吸強(qiáng)度和頻率的變化：運(yùn)動(dòng)前呼吸平穩(wěn)，運(yùn)動(dòng)中呼吸逐漸加強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)后又逐漸恢復(fù)平靜。這種技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練甚至是疫情防控方面都有重要應(yīng)用價(jià)值。

●物體識(shí)別：智能手套的機(jī)器學(xué)習(xí)能力
最令人驚嘆的應(yīng)用是智能手套的物體識(shí)別功能。研究團(tuán)隊(duì)在手套的關(guān)節(jié)處安裝應(yīng)變傳感器，在指尖安裝壓力傳感器，總共集成了10個(gè)傳感器。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練，這款智能手套能夠識(shí)別不同的物體。在對(duì)籃球、泡沫球、玩偶、玻璃杯、紙杯和筆等六種物體各進(jìn)行30次抓取訓(xùn)練后，手套的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了驚人的98.32%（使用隨機(jī)森林算法）和96.64%（使用梯度提升分類(lèi)器）。


△智能手套在人類(lèi)抓握學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

技術(shù)創(chuàng)新：多層結(jié)構(gòu)的突破
●突破傳統(tǒng)限制的多層設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)的電子紡織品研究主要局限于單面應(yīng)用，無(wú)法充分利用紡織品的雙面特性。KAIST研究團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新在于開(kāi)發(fā)了多層紡織品架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了紡織品雙面的功能性利用。通過(guò)精心設(shè)計(jì)的三層結(jié)構(gòu)——頂層的應(yīng)變傳感器、中間層的未連接電極和底層的壓力傳感器——研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了在單一位置同時(shí)檢測(cè)應(yīng)變和壓力的多功能傳感能力。這種設(shè)計(jì)大大提高了電子元件的集成密度，同時(shí)保持了紡織品的柔韌性。

●過(guò)孔連接技術(shù)的突破：最具創(chuàng)新性的技術(shù)突破是過(guò)孔連接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)控制不同粘度墨水的滲透深度，研究團(tuán)隊(duì)成功在紡織品中創(chuàng)建了選擇性的電氣連接，就像在傳統(tǒng)電路板中制作過(guò)孔一樣。這使得復(fù)雜電路的制造成為可能，為高度集成的多功能可穿戴電子設(shè)備鋪平了道路。未來(lái)的智能紡織品可以像現(xiàn)代電子設(shè)備一樣復(fù)雜和功能強(qiáng)大。

未來(lái)展望：智能紡織品的無(wú)限可能

這項(xiàng)研究在智能紡織品制造上取得了重大突破，但也存在一定的局限性。DIW打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高分辨率圖案方面仍有困難，主要是由于基板和噴嘴之間的固有間隙。此外，打印條件需要根據(jù)紡織品類(lèi)型進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，這在工藝優(yōu)化方面帶來(lái)了挑戰(zhàn)。未來(lái)的研究方向?qū)⒓�中在提高打印分辨率、�?yōu)化工藝參數(shù)、擴(kuò)大材料選擇范圍等方面。隨著這些技術(shù)挑戰(zhàn)的逐步解決，智能紡織品將迎來(lái)更廣闊的應(yīng)用前景。

可以說(shuō)，隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和成本的降低，智能紡織品的產(chǎn)業(yè)化前景十分光明。3D打印技術(shù)允許根據(jù)個(gè)人需求定制化生產(chǎn)，正好契合了現(xiàn)代消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的需求。

未來(lái)，智能紡織品有望成為日常生活的一部分，就像今天的智能手機(jī)一樣普及。從嬰兒的智能尿布到老年人的健康監(jiān)測(cè)服裝，從運(yùn)動(dòng)員的專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練裝備到普通人的日常健身服裝，智能紡織品會(huì)逐步改變我們的生活方式。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00414-7#Bib1