Nature子刊：韓國研究團隊使用直接墨水書寫(DIW)3D打印技術(shù)制造智能紡織品

2025年5月，南極熊獲悉，韓國科學技術(shù)院（KAIST）材料科學與工程系研究團隊在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（利用直接墨水書寫(DIW) 3D打印技術(shù)制造多功能可穿戴互連電子紡織品平臺），推動了智能紡織品領域的發(fā)展。



研究背景
紡織品作為人類生活中不可或缺的一部分，幾個世紀以來一直伴隨著我們的日常生活。然而，當科學家們試圖將電子功能融入這些熟悉的材料中時，卻遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電子紡織品（E-textiles）制造方法通常復雜繁瑣。

傳統(tǒng)的紗線涂層和紡織品涂層技術(shù)雖然在一定程度上解決了問題，但隨著性能要求的提高，生產(chǎn)方法變得越來越復雜，生產(chǎn)時間也大大延長。特別是絲網(wǎng)印刷技術(shù)，需要為每個不同的設計制作獨特的模板，電子紡織品往往需要適應不同人體形狀，這大大增加了所需模板的數(shù)量。


△直接墨水書寫(DIW)打印紡織電子器件概述。(a) 在紡織品上DIW打印觸覺傳感器用于集成可穿戴設備的示意圖(b)在各種紡織品上3D打印應變傳感器和電極的照片(c)應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研究團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用直接墨水書寫（DIW）3D打印技術(shù)來開發(fā)多功能可穿戴電子紡織品。這項技術(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的能力。

研究內(nèi)容

●應變傳感器：織物中的"神經(jīng)系統(tǒng)"
研究團隊制造了應變傳感器，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）的復合材料。


△3D打印應變傳感器的傳感性能

這種應變傳感器具備卓越的性能指標：靈敏度系數(shù)高達11.07，線性度接近完美（R²≈0.99），最大應變范圍可達102%。更重要的是，即使在30%應變下經(jīng)過10,000次循環(huán)測試后，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)，負責信號的傳輸和連接。研究團隊巧妙地利用銀片和聚苯乙烯（PS）在甲苯中的混合物，通過控制墨水的粘度來實現(xiàn)不同程度的滲透。通過調(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，形成類似電路板中過孔的結(jié)構(gòu)。即使在應變和壓力作用下，這些電極也能保持穩(wěn)定的電阻值（0.2-0.4Ω），確保信號傳輸?shù)目煽啃浴?br />
●溫度傳感器：可視化的"溫度計"
研究團隊第三個開發(fā)的是溫度傳感器，采用了變色染料技術(shù)。與傳統(tǒng)需要電極和信號處理系統(tǒng)的溫度傳感器不同，這種傳感器通過顏色變化來直觀顯示溫度范圍，就像是一個可視化的溫度計。當溫度從0°C變化到90°C時，傳感器能在五秒內(nèi)完成顏色轉(zhuǎn)換，為用戶提供直觀的溫度反饋。

實際應用：從實驗室到日常生活

●人體運動監(jiān)測：智能運動服的誕生
研究團隊將應變傳感器集成到運動服中，在肩部、肘部內(nèi)側(cè)和膝蓋等主要關(guān)節(jié)部位放置傳感器。通過監(jiān)測這些關(guān)節(jié)的運動模式，系統(tǒng)能夠識別用戶正在進行的運動類型，無論是跑步、開合跳還是俯臥撐，都能被準確識別和量化。


△DIW 3D 打印集成可穿戴紡織品用于健康監(jiān)測

除了用于運動員的訓練監(jiān)測，還可以應用于康復醫(yī)學、老年人健康監(jiān)護等領域。想象一下，未來的運動服能夠記錄你的運動軌跡，分析你的運動姿態(tài)，提供個性化的健康建議。

●呼吸監(jiān)測：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，研究團隊開發(fā)的智能口罩顯得格外有意義。通過在棉質(zhì)口罩上集成應變傳感器，可以實時監(jiān)測佩戴者的呼吸模式。實驗顯示，在進行30次開合跳運動時，系統(tǒng)能夠清晰地記錄呼吸強度和頻率的變化：運動前呼吸平穩(wěn)，運動中呼吸逐漸加強，運動后又逐漸恢復平靜。這種技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護、運動訓練甚至是疫情防控方面都有重要應用價值。

●物體識別：智能手套的機器學習能力
最令人驚嘆的應用是智能手套的物體識別功能。研究團隊在手套的關(guān)節(jié)處安裝應變傳感器，在指尖安裝壓力傳感器，總共集成了10個傳感器。通過機器學習算法的訓練，這款智能手套能夠識別不同的物體。在對籃球、泡沫球、玩偶、玻璃杯、紙杯和筆等六種物體各進行30次抓取訓練后，手套的識別準確率達到了驚人的98.32%（使用隨機森林算法）和96.64%（使用梯度提升分類器）。


△智能手套在人類抓握學習中的應用

技術(shù)創(chuàng)新：多層結(jié)構(gòu)的突破
●突破傳統(tǒng)限制的多層設計：傳統(tǒng)的電子紡織品研究主要局限于單面應用，無法充分利用紡織品的雙面特性。KAIST研究團隊的創(chuàng)新在于開發(fā)了多層紡織品架構(gòu)，實現(xiàn)了紡織品雙面的功能性利用。通過精心設計的三層結(jié)構(gòu)——頂層的應變傳感器、中間層的未連接電極和底層的壓力傳感器——研究團隊成功實現(xiàn)了在單一位置同時檢測應變和壓力的多功能傳感能力。這種設計大大提高了電子元件的集成密度，同時保持了紡織品的柔韌性。

●過孔連接技術(shù)的突破：最具創(chuàng)新性的技術(shù)突破是過孔連接技術(shù)的實現(xiàn)。通過控制不同粘度墨水的滲透深度，研究團隊成功在紡織品中創(chuàng)建了選擇性的電氣連接，就像在傳統(tǒng)電路板中制作過孔一樣。這使得復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備鋪平了道路。未來的智能紡織品可以像現(xiàn)代電子設備一樣復雜和功能強大。

未來展望：智能紡織品的無限可能

這項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)紡織品類型進行精細調(diào)整，這在工藝優(yōu)化方面帶來了挑戰(zhàn)。未來的研究方向?qū)⒓�中在提高打印分辨率、�?yōu)化工藝參數(shù)、擴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，智能紡織品將迎來更廣闊的應用前景。

可以說，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)個人需求定制化生產(chǎn)，正好契合了現(xiàn)代消費者對個性化產(chǎn)品的需求。

未來，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一樣普及。從嬰兒的智能尿布到老年人的健康監(jiān)測服裝，從運動員的專業(yè)訓練裝備到普通人的日常健身服裝，智能紡織品會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