北航陳華偉課題組：亞體素控制的雙材料多結構細絲的微流控打印

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、柔性執行器和傳感器中都有著非常重要的作用。直接墨水書寫技術（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纖維的復雜性和油墨成分是靜態不可調節的。這一局限性嚴重阻礙了直接墨水書寫3D打印技術的發展。因此，對打印的組分進行動態可調的亞體素控制，以指導具有多種結構的纖維的打印，為實現可用于打印復雜結構細絲的直接墨水書寫技術提供了一種新的策略。

近日，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可調節的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定和摩擦電納米發電機纖維，以實現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。

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。a） 打印平臺及雙材料多結構打印機制示意圖。b） 將兩個打印針放置在 Y 形微流控裝置中，用于內外材料打印。c） 一側、居中或逐漸改變。d）通過調整內層材料打印針的位置，內外層材料的分布可以被精確廣泛的調節，實現對細絲的亞體素控制。比例尺，500 μm。

該研究構建了一種動態可調節的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體打印頭構成，為了實現亞體素控制的細絲，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。該微流控芯片使用了摩方精密公司的nanoArch®S240高精度3D打印機制造，內通道尺寸最小為800μm，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。動態準確地控制可動針的擠出壓力和運動下，實現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。

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長絲的能力，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、可拉伸的導電穩定纖維和摩擦電納米發電機纖維。與同軸結構相比，導電穩定性和摩擦發電性能均有所提高。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直接墨水書寫技術提供了一種打印方法。

圖2. 精確控制內層的位置和形狀。a） 同軸結構3D打印工藝示意圖。b） 在不同位置打印的可動針的示意圖和光學圖像。c） 不同Pmov/Pfix下Dp對De的影響。d） 不同尺寸可動針的 Pmov/Pfix 和 Sin/Sout 之間的依賴性。e） 內部橫截面逐漸變為新月形的光學圖像。f） 新月形的寬度和長度對 Pmov 的依賴性。

圖3. 精確控制內部波浪結構。a） 內部具有波浪形結構的細絲的印刷示意圖。b） Dm 和 Win 之間的關系曲線。c） 波峰距離 Dc逐漸增加。d） 不同Pfix下移動周期與波峰距離的依賴性。e-f） 內部具有波浪形結構的細絲的照片。g） 含有更多材料的長絲照片。

圖4. 多功能可拉伸電導穩定纖維的打印。a） 多功能可拉伸電導穩定纖維的打印示意圖。b） 在同軸纖維和內部波浪結構纖維上拉伸。c） 不同移動周期下同軸纖維和波浪纖維的應變電阻變化率。d） 同軸結構纖維和波浪形內結構纖維的等效工作電路。e） 同軸結構纖維和波浪形內結構纖維的拉伸電導率試驗的照片。

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。a）纖維拍打產生電壓信號，作為摩擦納米發電機纖維。b） 同軸纖維和波浪纖維的實時電壓信號。c） 纖維電壓信號與移動周期的關系曲線。d） 不同手指拍打波浪形結構纖維的實時電壓信號。e）自充電系統的等效工作電路和自充電系統為LED供電的照片。f） 纖維傳感器在不同彎曲角度下粘附在人手指上的相應電壓信號。g）通過抓取和釋放塑料離心管的信號監測。

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