用于雙材料多結(jié)構(gòu)細(xì)絲可控打印的微流控墨水直寫打印平臺(tái)

具有多種材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜功能的細(xì)絲在可穿戴電子設(shè)備、柔性執(zhí)行器和傳感器中都有著非常重要的作用。墨水直寫（DIW）主要用于打印功能性細(xì)絲。然而，由于擠出通道本身結(jié)構(gòu)的不可移動(dòng)，目前可打印的多材料細(xì)絲的復(fù)雜性和油墨成分是靜態(tài)不可調(diào)節(jié)的。這一局限性嚴(yán)重阻礙了墨水直寫3D打印技術(shù)的發(fā)展。因此，對(duì)打印的組分進(jìn)行動(dòng)態(tài)可調(diào)的亞體素控制，以指導(dǎo)具有多種結(jié)構(gòu)的細(xì)絲的打印，為實(shí)現(xiàn)可用于打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)絲的墨水直寫技術(shù)提供了一種新的策略。

近期，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院陳華偉課題組提出了一種動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)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，通過調(diào)節(jié)擠出壓力和針頭在微流控噴嘴中的運(yùn)動(dòng)，能夠精確控制細(xì)絲內(nèi)層的位置、比例和形狀，進(jìn)而再對(duì)細(xì)絲內(nèi)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的亞體素控制，可以制造具有各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的細(xì)絲。

通過打印平臺(tái)，制造了內(nèi)部波浪型結(jié)構(gòu)的可拉伸電導(dǎo)穩(wěn)定和摩擦電納米發(fā)電機(jī)纖維，以實(shí)現(xiàn)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(xì)絲的復(fù)雜性，為柔性電子產(chǎn)品提供了潛在的應(yīng)用。相關(guān)研究內(nèi)容以“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。

該研究構(gòu)建了一種動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)的DIW打印平臺(tái)，如圖1所示。該平臺(tái)由一個(gè)三軸線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與一個(gè)微流控打印頭構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)亞體素控制的細(xì)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(jī)控制的微動(dòng)臺(tái)、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。該微流控芯片利用高精度3D打印機(jī)制造，內(nèi)通道尺寸最小為800 μm，通道尺寸決定了打印細(xì)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(xì)絲提供外部材料，利用微動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)可移動(dòng)的打印針，并在細(xì)絲所需的位置擠出內(nèi)部功能材料。動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確地控制可動(dòng)針的擠出壓力和運(yùn)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了各種亞體素圖案的細(xì)絲，例如一側(cè)、居中或逐漸改變的波浪形圖案。

圖1 可編程亞體素控制的雙材料多結(jié)構(gòu)細(xì)絲的微流控打印平臺(tái)

圖2 利用微流控打印平臺(tái)精確控制細(xì)絲內(nèi)層的位置和形狀

圖3 利用微流控打印平臺(tái)精確控制細(xì)絲內(nèi)部波浪結(jié)構(gòu)

此外，內(nèi)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(yàn)表明，在打印過程中，通過調(diào)整外層材料的粘度以達(dá)到適印性要求，但是，對(duì)于內(nèi)部材料的粘度，不需要進(jìn)行此類調(diào)整。為了證明制造功能性細(xì)絲的能力，通過將打印材料替換為導(dǎo)電的功能性材料，設(shè)計(jì)并打印了具有波浪形內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多功能、可拉伸的導(dǎo)電穩(wěn)定纖維和摩擦電納米發(fā)電機(jī)纖維。與同軸結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)電穩(wěn)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收集生物力學(xué)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(dòng)等微納機(jī)器人，也為未來宏觀尺度上的墨水直寫技術(shù)提供了一種打印方法。

圖4多功能可拉伸電導(dǎo)穩(wěn)定纖維的打印

圖5 可拉伸導(dǎo)電纖維可以作為理想的高度可拉伸的自供電傳感器

審核編輯：劉清