從(cong) 捕捉呼吸到指揮生物細胞的運動，3D打印的小型透明導電纖維可用於(yu) 製造“嗅覺、聽覺和觸覺”的設備，使其特別適用於(yu) 物聯網、健康監測和生物傳(chuan) 感應用。纖維印刷技術可用於(yu) 製造便攜式、可穿戴、非接觸式呼吸傳(chuan) 感器。這種印刷傳(chuan) 感器經濟、高靈敏度，可以固定在手機上同時獲取聲音、圖像和呼吸模式數據。來自劍橋大學的科學家們(men) 利用3D打印的方法製造出電子纖維，每根纖維的直徑比人類頭發小100倍，製造出的傳(chuan) 感器的性能超出了傳(chuan) 統薄膜器件。

小直徑導電纖維具有獨特的形態、機械和光學特性，例如高長寬比、低彎曲剛度、方向性和透明度，這使其與(yu) 其他基於(yu) 薄膜的微/納米結構類型的導電纖維區分開來。將細的導電纖維有序地組裝成陣列/三維（3D）結構可提高其用於(yu) 設備耦合的功能性能。開發新的策略來控製這些導電元件的快速合成、圖案化和集成到器件架構中，可能標誌著實現新的器件功能和電子設計的重要一步。迄今為(wei) 止，已經以多種方式生產(chan) 和組裝導電微/納米級纖維，從(cong) 轉移化學生長的納米纖維/金屬絲(si) 、編寫(xie) 電液動力學沉積線到拉伸超長纖維、纖維濕法紡絲(si) 和2D / 3D直接印刷。這些獨特的導電結構已經實現了許多應用，包括透明和柔性電極、導電紗、組織工程支架和生物電子設備。

盡管取得了這些進展，但是現有的製造技術仍無法輕易地將纖維結構組裝到具有方向性、高表麵積-體(ti) 積比、允許性、透明性和導電性功能的設備中。可擴展性和設備集成一直是小直徑導電纖維應用麵臨(lin) 的主要問題。2020年9月30日，由來自英國劍橋大學Yan Yan Shery Huang領導的研究團隊在Science Advances期刊上發表了<Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures>一文，報道了將導電纖維生產(chan) 和纖維到電路連接集成在一起的一步過程，即機載纖維印刷（iFP）。它可以產(chan) 生並原位粘合懸浮或表麵上的薄導電纖維陣列，而不需要任何後處理。

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機載纖維印刷（iFP）

圖1A中示意性地顯示了iFP過程。銀（Ag）和PEDOT：PSS被用作纖維材料，其中Ag是一種廣泛使用的導電金屬，而PEDOT：PSS是一種生物相容性導電聚合物，其應用範圍從(cong) 紡織、印刷電子到生物界麵結構。為(wei) 了反映該過程的普遍性，研究人員從(cong) 易於(yu) 獲得的低粘度（約10至60 mPa·s）水溶液中提取纖維。要注意的是，也可以通過iFP處理較高粘度的水溶液，即粘度約為(wei) 104 mPa.s的水溶液（例如22% (w/w)明膠溶液）。對於(yu) 銀，研究人員展示了由含有銀鹽和還原劑的改良Tollens溶液反應合成纖維。這與(yu) 纖維生產(chan) 過程中通常使用的基於(yu) 金屬納米顆粒的導電油墨不同，纖維生產(chan) 過程通常通過將金屬納米顆粒與(yu) 聚合物混合而製備。對於(yu) PEDOT：PSS纖維，使用市售的膠體(ti) 水溶液。

圖1. 用原位粘合製備懸浮纖維結構的iFP。

▲圖解：（A）Ag和PEDOT：PSS纖維的iFP工藝示意圖。（B）示意圖顯示了iFP纖維引發的近距離視圖。（C）單銀纖維的TEM和EDX。（D）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像從(cong) 頂視圖顯示纖維結合。（E）纖維粘合的橫截麵示意圖。（F）Ag纖維粘結上的XPS深度剖析。（G和I）典型的懸浮，對齊的光纖陣列的SEM圖像。（J和K）SEM圖像顯示了單獨的Ag和PEDOT：PSS纖維。（L）懸掛式PEDOT：PSS光纖陣列頂部的LED照明燈和蒲公英種子的圖像，種子穿過光纖陣列（照片來源：劍橋大學，王文宇）。（M和N）非連接和連接的光纖網格結構示意圖。（O）懸掛的iFP光纖網絡的光學圖像。

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可穿戴/便攜式呼吸濕度傳(chuan) 感器

利用iFP，可以實現在電路上製造纖維，纖維陣列的透射率超過95％（350至750nm）。光纖陣列的高表麵積體(ti) 積比，寬容性和透明性被用於(yu) 構建傳(chuan) 感和光電體(ti) 係結構。研究人員成功展示了利用PEDOT：PSS纖維作為(wei) 單元界麵阻抗傳(chuan) 感器、三維(3D)濕氣流量傳(chuan) 感器以及非接觸式、可穿戴/便攜式呼吸傳(chuan) 感器。

在新冠病毒、流行性感冒和鼻病毒等急性呼吸道疾病的全球爆發中，有關(guan) 戴口罩的指南可以幫助減輕疾病傳(chuan) 播的風險。基於(yu) 人類呼吸中含有高度加濕的氣體(ti) （相對濕度為(wei) 89％至97％）的事實，我們(men) 使用iFP PEDOT：PSS製造了兩(liang) 種配置的高靈敏度，低成本和可穿戴/便攜式呼吸濕度傳(chuan) 感器光纖陣列（圖2）。

在第一種光纖傳(chuan) 感器配置中，單層PEDOT：PSS光纖陣列被打印在3D打印的塑料框架上。該光纖傳(chuan) 感器可以很容易地連接到一次性口罩的外部，作為(wei) 可穿戴的、非接觸式和非侵入性的傳(chuan) 感器，用於(yu) 監測呼吸頻率（圖2A和電影S2）。如圖2B所示，與(yu) 商用濕度傳(chuan) 感器（HIH-5031-001，Honeywell）相比，iFP纖維呼吸濕度傳(chuan) 感器顯示出卓越的響應能力。正常呼吸後不到3 s（相對於(yu) 商用傳(chuan) 感器約10 s），光纖陣列的電阻恢複到基線水平。這種效果在諸如快速呼吸檢測（每個(ge) 呼吸周期約1.2 s，在劇烈運動或呼吸急促下模擬快速呼吸）等應用中尤為(wei) 明顯，其中商用傳(chuan) 感器無法區分單個(ge) 呼吸事件（圖2C）。

圖2. 基於(yu) 纖維的非接觸式呼吸濕度傳(chuan) 感器。

▲圖解：（A）顯示連接到一次性口罩的單層可穿戴式纖維呼吸傳(chuan) 感器的示意圖。（B）商業(ye) 濕度傳(chuan) 感器與(yu) iFP PEDOT：PSS光纖陣列相比，可響應單次呼吸和連續快速呼吸（C）。（D）示意圖顯示了便攜式三層光纖傳(chuan) 感器，該傳(chuan) 感器安裝在手機的前置攝像頭上，單層光纖傳(chuan) 感器位於(yu) 鼻子上方。（E）三層光纖傳(chuan) 感器的光纖層布置的放大示意圖。PVDF，聚偏二氟乙烯。（F）在“無麵部遮蓋物”中的嘴部區域照片。（F1）長呼氣和咳嗽（F2）的標準化纖維電阻變化（ΔR/ R0），插圖顯示中間壓電纖維層檢測到的咳嗽聲。（G）顯示外科口罩佩戴者的照片，在長時間呼氣（G1）和咳嗽（G2）期間具有纖維傳(chuan) 感器記錄。（H）呼吸麵罩佩戴者的照片，帶有長時間呼氣（H1）和咳嗽（H2）期間的纖維傳(chuan) 感器記錄。要注意的是，（F），（G）和（H）的照片都是通過三層光纖傳(chuan) 感器由手機攝像頭捕獲的（照片來源：劍橋大學）。

研究人員發現，外科口罩或織物口罩的大部分滲漏來自前部，尤其是在咳嗽時，而N95口罩的大部分滲漏來自側(ce) 麵和頂部，並配有緊封的裝置。不過，這兩(liang) 種麵罩，如果正確佩戴，都有助於(yu) 減少呼出的氣流。與(yu) 傳(chuan) 統的薄膜技術相比，由小的導電纖維製成的傳(chuan) 感器特別適用於(yu) 三維流體(ti) 和氣體(ti) 的體(ti) 積傳(chuan) 感，但到目前為(wei) 止，將它們(men) 打印並整合到設備中，並進行大規模生產(chan) 一直是一個(ge) 挑戰。

英國劍橋大學工程係主任研究員Yan Yan Shery Huang博士還和她的團隊3D打印了由銀和/或半導體(ti) 聚合物製成的複合纖維（如圖3）。這種纖維印刷方法產(chan) 生了一種芯-殼纖維結構，高純度的導電纖維芯被一層保護聚合物的薄護套覆蓋，就像標準電線的結構一樣，但直徑隻有幾微米。

圖3. 使用iFP光纖創建電路架構

他們(men) 研發的光纖傳(chuan) 感器重量輕、價(jia) 格便宜、體(ti) 積小、易於(yu) 使用，因此它們(men) 有可能被改造成家庭測試設備，允許公眾(zhong) 進行自我管理的測試，以獲取有關(guan) 其環境的信息。研究人員正期待著開發基於(yu) 這種纖維印刷方法的多功能傳(chuan) 感器，這種方法可能會(hui) 檢測出更多的呼吸種類，用於(yu) 生物機器接口或移動健康監測應用。