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近日，華東師范大學(xué)通信與電子工程學(xué)院/集成電路學(xué)院郁哲助理研究員與韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）應(yīng)鄔彬副教授在材料科學(xué)領(lǐng)域國際頂級期刊《Journal of Materials Chemistry A》發(fā)表題為 “Multiple artificial mechanoreceptor-embedded waterproof ciliated E-skin via direct-ink-writing vertically 3D printing toward health management of seafarers” 的高水平研究論文（DOI: 10.1039/d5ta04906g）。在該研究中，森工科技研發(fā)生產(chǎn)的AutoBio1000 3D打印機(jī)高效的完成了高縱橫比微纖毛的垂直 3D 打印制備環(huán)節(jié)，為新型防水纖毛電子皮膚（WCES）的性能突破提供了核心技術(shù)支撐。

一、科研背景：海事環(huán)境下的健康監(jiān)測難題亟待突破

全球 80% 以上的跨境貿(mào)易依賴海運(yùn)，船員長期處于密閉、高濕的船舶環(huán)境中，易出現(xiàn)血壓異常、循環(huán)障礙、自主神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂等健康問題。然而，傳統(tǒng)可穿戴傳感器在高濕環(huán)境下常因濕氣會引起信號不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)生理監(jiān)測；現(xiàn)有防水型電子皮膚（E-skin）又多存在靈敏度低、制備復(fù)雜等瓶頸，無法滿足海事場景的實(shí)用需求。為解決這一痛點(diǎn)，華師大&韓國KAIST團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地從人體皮膚表皮毛發(fā)與機(jī)械感受器的結(jié)構(gòu)功能中汲取靈感，提出 “垂直 3D 打印微纖毛 + 嵌入式人工機(jī)械感受器” 的協(xié)同設(shè)計(jì)方案，而森工 AutoBio1000 3D打印機(jī)憑借精準(zhǔn)的擠出控制與工藝兼容性，成為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)備支撐。

 概念圖1：表皮毛發(fā)和微纖毛陣列示意圖。（a）表皮毛發(fā)及其與真皮中多個(gè)機(jī)械感受器（如快適應(yīng)感受器和慢適應(yīng)感受器）相互作用的示意圖。（b）基于嵌入炭黑（CB）和離子液體（IL）的聚氨酯（PU）基質(zhì)的防水纖毛電子皮膚（WCES）的設(shè)計(jì)原理。在壓力作用下，炭黑的顆粒滑動和離子液體中的離子遷移分別模擬快適應(yīng)感受器和慢適應(yīng)感受器的反應(yīng)。使用揮發(fā)性溶劑將聚氨酯復(fù)合材料配制成高屈服應(yīng)力墨水，通過基于擠出的直接墨水書寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)微纖毛的垂直3D打印，在此過程中，溶劑的快速蒸發(fā)會在表面產(chǎn)生穩(wěn)定性。

二、核心突破：森工AutoBio1000 3D打印機(jī)賦能高性能 WCES 制備

1. 攻克高長徑比微纖毛打印技術(shù)難題

微纖毛是 WCES 實(shí)現(xiàn)防水與高靈敏度的核心結(jié)構(gòu) —— 其暴露部分可形成疏水保護(hù)層，嵌入部分則能傳遞機(jī)械信號。但傳統(tǒng)直寫 3D 打印（DIW）受限于墨水流變特性，難以制備垂直取向、高長徑比（H/F）的微纖毛結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化墨水配方（以聚氨酯 PU 為基體，添加炭黑 CB、離子液體 IL 及揮發(fā)性溶劑 DMF），并利用森工AutoBio1000 3D打印機(jī)的精準(zhǔn)參數(shù)調(diào)控功能，成功實(shí)現(xiàn)微纖毛的垂直 3D 打印。最終制備的微纖毛縱橫比達(dá) 3.55，且在打印過程中因溶劑快速蒸發(fā)形成穩(wěn)定外殼，避免結(jié)構(gòu)坍塌，為 WCES 的性能奠定基礎(chǔ)。

圖1：不同材料制成的薄膜的特性以及微纖毛的打印工藝。(a) 不同材料制成的薄膜在壓力下的電響應(yīng)。(b) 由PU、CB和IL制成的薄膜在不同加載條件下的阻抗奈奎斯特圖。(c) 不同油墨垂直3D打印微纖毛過程中關(guān)鍵時(shí)刻的照片。從左到右，油墨的CB含量分別為35 wt%、40 wt%和45 wt%。(d) 三種油墨樣品的流變特性。實(shí)線和虛線分別代表儲能模量（G'）和損耗模量（G''）。(e) 油墨樣品的表觀粘度（h）與剪切速率的函數(shù)關(guān)系.

2. 助力實(shí)現(xiàn) “防水 + 高靈敏” 雙重優(yōu)勢

依托 AutoBio1000 3D打印的微纖毛陣列WCES 展現(xiàn)出卓越性能：

超強(qiáng)防水性：微纖毛結(jié)構(gòu)使材料水接觸角從 41.3° 提升至 113.7°，形成微米級空氣隔離層，水滴可沿表面滾落，浸泡于海水（5% NaCl 溶液）、茶、果汁等溶液后，信號衰減率最高僅 7.75%；

超高靈敏度：通過微纖毛的應(yīng)力集中效應(yīng)，結(jié)合 CB（模擬快速適應(yīng)感受器 FA-R）與 IL（模擬慢速適應(yīng)感受器 SA-R）的雙模機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)，WCES 在 0-10 kPa 壓力范圍內(nèi)靈敏度達(dá) 14.9 kPa?1，遠(yuǎn)超現(xiàn)有防水傳感器（0.001-1 kPa?1）；

優(yōu)異穩(wěn)定性：經(jīng) 10000 次壓力循環(huán)測試、6 天加速老化測試（模擬半年自然暴露）后，仍保持穩(wěn)定的電學(xué)性能與機(jī)械性能，斷裂韌性達(dá) 1.96 MJ/m3。

圖2： WCES的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。（a）垂直打印的微纖毛陣列照片。比例尺為5毫米。插圖是陣列的光學(xué)顯微鏡圖像，比例尺為1毫米。（b）單個(gè)微纖毛的SEM圖像以及通過EDS掃描得到的相應(yīng)元素分布圖像。左側(cè)SEM圖像和放大后的SEM圖像的比例尺分別為300微米和20微米。（c）在薄膜表面打印微纖毛陣列前后的水接觸角測量照片。（d）水滴在帶有微纖毛陣列的薄膜表面滾動的測試照片。（e）具有不同密度微纖毛陣列的WCES的壓力依賴性電響應(yīng)譜。（f）具有5×5微纖毛陣列的WCES在不同壓力范圍內(nèi)的線性靈敏度。（g）本研究中垂直打印的WCES（紅色）與其他已報(bào)道的防水傳感器（藍(lán)色）和傳統(tǒng)傳感器（紫色）的靈敏度比較。（h）WCES的靈敏度隨在不同溶液中浸泡時(shí)間的變化。（i）加速老化試驗(yàn)前后樣品的ATR-FTIR光譜。

圖 3 水合碳電極傳感器（WCES）浸泡前后其他傳感性能的變化，包括動態(tài)范圍（DH）（a）、重現(xiàn)性（b 和 c）、響應(yīng)時(shí)間（RT）（d）和檢測限（LoD）（e）。（f）水合碳電極傳感器（WCES）浸泡前后經(jīng)過 10000 次循環(huán)的穩(wěn)定性測試結(jié)果。（g）通過有限元分析得到的 100 千帕壓力下微纖毛的應(yīng)力分布。（h）顯示壓力加載 - 卸載過程中微纖毛過載情況的照片。

三、實(shí)際應(yīng)用：海事健康監(jiān)測系統(tǒng)落地可期

基于 AutoBio1000 制備的 WCES，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了船員健康管理系統(tǒng)：在 80% 相對濕度環(huán)境中，將 WCES 貼附于頸動脈處，可清晰捕捉脈搏信號（含 3 個(gè)特征峰），并結(jié)合隨機(jī)森林（RF）機(jī)器學(xué)習(xí)模型對不同生理狀態(tài)（靜坐、行走、慢跑）下的脈搏信號進(jìn)行分類，識別準(zhǔn)確率高達(dá) 97.58%。

這一系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測船員心率變化，及時(shí)預(yù)警健康風(fēng)險(xiǎn)，為解決海上醫(yī)療診斷滯后問題提供了創(chuàng)新方案，也為高性能電子皮膚在海事、水下作業(yè)等極端環(huán)境中的應(yīng)用開辟了新路徑。

圖4 WCES在健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。（a）基于WCES的海員健康管理系統(tǒng)示意圖。（b）WCES檢測到的三名志愿者在坐著、走路和慢跑狀態(tài)下的脈搏信號。（c）主成分分析（PCA）降維后的隨機(jī)森林（RF）分類可視化。（d）在隨機(jī)森林（RF）模型訓(xùn)練下，不同脈搏信號的識別準(zhǔn)確率隨迭代次數(shù)的變化。（e）訓(xùn)練70次迭代后的混淆矩陣

四、設(shè)備價(jià)值：森工科技賦能科研創(chuàng)新

AutoBio1000為深圳森工科技有限公司科研3D打印設(shè)備AutoBio系列中的專業(yè)版配置，采用DIW墨水直寫3D打印成型技術(shù)。憑借 “高兼容性、高精度、高穩(wěn)定性” 的核心優(yōu)勢，已成為材料科學(xué)、柔性電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域科研團(tuán)隊(duì)的重要工具。其支持多種墨水體系（如聚合物、復(fù)合材料、生物墨水等）的擠出成型，可精準(zhǔn)調(diào)控打印參數(shù)、可進(jìn)行多模態(tài)拓展升級，實(shí)現(xiàn)從平面到立體、從微米到毫米級結(jié)構(gòu)的高效制備，為科研創(chuàng)新提供了靈活、可靠的設(shè)備保障。

此次，華師大&韓國KAIST聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)的研究成果，再次印證了森工科技在科研裝備領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，也彰顯了 “設(shè)備 - 科研” 協(xié)同創(chuàng)新對推動學(xué)科發(fā)展的重要意義。未來，森工科技將繼續(xù)努力為更多科研團(tuán)隊(duì)提供優(yōu)質(zhì)設(shè)備與技術(shù)服務(wù)，助力更多高水平成果落地！