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(zhù)非常重要的作用。直接墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)（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(dòng)，目前可打印的多材料纖維的復雜性和油墨成分是靜態(tài)不可調節的。這一局限性嚴重阻礙了直接墨水書(shū)寫(xiě)3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此，對打印的組分進(jìn)行動(dòng)態(tài)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(shí)現可用于打印復雜結構細絲的直接墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)提供了一種新的策略。

近日，北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院陳華偉課題組提出了一種動(dòng)態(tài)可調節的DIW打印策略，該策略將一個(gè)可移動(dòng)的打印針連接到一個(gè)Y形微流控噴嘴中，通過(guò)調節擠出壓力和針頭在微流控噴嘴中的運動(dòng)，能夠精確控制細絲內層的位置、比例和形狀，進(jìn)而再對細絲內層結構進(jìn)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(guò)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(fā)電機纖維，以實(shí)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(zhù)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(guān)研究?jì)热菀?span style="font-synthesis: style; font-weight: 600;">“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。

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(gè)打印針?lè )胖迷?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(guò)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(shí)現對細絲的亞體素控制。比例尺，500 μm。

該研究構建了一種動(dòng)態(tài)可調節的DIW打印平臺，如圖1所示。該平臺由一個(gè)三軸線(xiàn)性運動(dòng)平臺與一個(gè)微流體打印頭構成，為了實(shí)現亞體素控制的細絲，該打印頭是由一個(gè)Y形流道的微流控芯片、一個(gè)電機控制的微動(dòng)臺、一個(gè)固定的打印針和一個(gè)可移動(dòng)的打印針組成，兩個(gè)打印針從Y形流道的兩個(gè)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(dòng)臺驅動(dòng)可移動(dòng)的打印針，并在細絲所需的位置擠出內部功能材料。動(dòng)態(tài)準確地控制可動(dòng)針的擠出壓力和運動(dòng)下，實(shí)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(shí)驗表明，在打印過(guò)程中，通過(guò)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(jìn)行此類(lèi)調整。為了證明制造功能性長(cháng)絲的能力，通過(guò)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(fā)電機纖維。與同軸結構相比，導電穩定性和摩擦發(fā)電性能均有所提高。因此，它可以作為智能織物來(lái)收集生物力學(xué)能量，滿(mǎn)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(dòng)等微納機器人，也為未來(lái)宏觀(guān)尺度上的直接墨水書(shū)寫(xiě)技術(shù)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(dòng)針的示意圖和光學(xué)圖像。c） 不同Pmov/Pfix下Dp對De的影響。d） 不同尺寸可動(dòng)針的 Pmov/Pfix 和 Sin/Sout 之間的依賴(lài)性。e） 內部橫截面逐漸變?yōu)樾略滦蔚墓鈱W(xué)圖像。f） 新月形的寬度和長(cháng)度對 Pmov 的依賴(lài)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(guān)系曲線(xiàn)。c） 波峰距離 Dc逐漸增加。d） 不同Pfix下移動(dòng)周期與波峰距離的依賴(lài)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(cháng)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(dòng)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(chǎn)生電壓信號，作為摩擦納米發(fā)電機纖維。b） 同軸纖維和波浪纖維的實(shí)時(shí)電壓信號。c） 纖維電壓信號與移動(dòng)周期的關(guān)系曲線(xiàn)。d） 不同手指拍打波浪形結構纖維的實(shí)時(shí)電壓信號。e）自充電系統的等效工作電路和自充電系統為L(cháng)ED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(guò)抓取和釋放塑料離心管的信號監測。

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