智能穿戴提升新高度，USF研究人員開發(fā)出在織物上3D打印銅的新方法

導(dǎo)讀：可穿戴電子產(chǎn)品正變得越來越普遍，身上的衣服可以通過有線連接到一系列設(shè)備，比如戴在帽子里的耳機(jī)。未來，使可穿戴設(shè)備電路小型化、與衣物或其他物體可貼合將會成為可穿戴技術(shù)發(fā)展的主要方向。

2022年7月26日，南極熊獲悉，來自南佛羅里達(dá)大學(xué) (USF)電氣工程系的研究人員在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域取得了新的突破：他們開發(fā)出一種新穎的電化學(xué)方法，可以將銅直接3D打印在絲織物上，相關(guān)的專利（A. Takshi，SM Rosa-Ortiz，專利號 11,214,884）也已獲得批準(zhǔn)。此外，該項目還獲得了美國國家科學(xué)基金會 (NSF) 369,574 美元的官方資助，這將推動可穿戴電子產(chǎn)品的制作水平提升到一個新的高度。

△直接在織物上打印，將可穿戴技術(shù)提升到更高水平。

在這個時代，電子產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了幾十年前難以想象的水平。，那些僅有著單一用途的笨重設(shè)備的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。如今，我們擁有智能手表、多功能耳機(jī)，甚至可穿戴電腦眼鏡，并且將可穿戴電子設(shè)備嵌入到衣服中的可能性指日可待。為了進(jìn)一步推進(jìn)此類技術(shù)，USF大學(xué)電氣工程系副教授 Arash Takshi 和創(chuàng)新研究團(tuán)隊的Sylvia Thomas 教授開發(fā)了一種稱為析氫輔助 (HEA) 電鍍的新方法，使直接在絲織物上打印銅成為可能，這一創(chuàng)新想法為更多的技術(shù)創(chuàng)新打開了大門。

△ArashTakshi 教授在工作中（圖片來源：USF）

使用3D 打印銅創(chuàng)建可穿戴電子產(chǎn)品

這種新穎的工藝類似于 3D 打印，并且通過使用由 Thomas 管理的先進(jìn)膜和材料生物與集成研究實驗室 (AMBIR) 的設(shè)備支持其開發(fā)。

項目的聯(lián)合首席研究員Thomas聲稱，這項發(fā)明有可能改變整個可穿戴電子產(chǎn)品的生產(chǎn)線。他說：“這項技術(shù)將進(jìn)一步推進(jìn)我們設(shè)想的可穿戴電子產(chǎn)品、紡織電子產(chǎn)品和我們今天所知道的柔性電子產(chǎn)品的方式——從實驗室到創(chuàng)新再到產(chǎn)品，”

盡管銅電鍍已使用多年，但傳統(tǒng)電鍍使用低電壓和高電流，以每秒幾百納米的速度沉積銅。以這樣的速度，在一件衣服上打印電路布局需要數(shù)小時甚至數(shù)天。

新設(shè)計的可穿戴電子產(chǎn)品增材工藝包括兩個步驟：首先，使用激光打印技術(shù)將導(dǎo)電模板應(yīng)用到織物上。在這個過程中，織物被碳化，這增強(qiáng)了它的穩(wěn)定性，使其更耐用。在下一步中，電鍍銅用于產(chǎn)生連續(xù)的銅圖案，在織物上形成電子元件的電路布局。特殊設(shè)計的噴嘴安裝在 3D 打印設(shè)備上，可實現(xiàn)局部電鍍，并使銅在電子元件端子和電路印刷布局之間的連接處生長，并在室溫下焊接它們。新方法與以往制作方法的主要區(qū)別在于，Takshi和Thomas的方法在制作過程中施加了相對較大的電壓，仍然在 2-3 V 的范圍內(nèi)，最終導(dǎo)致在銅生長的同時電解水，這種稱為析氫輔助 (HEA) 電鍍的方法突破了銅生長的限制，使過程更快，并增強(qiáng)了印刷結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性。實現(xiàn)了比傳統(tǒng)電鍍高三個數(shù)量級的速率。

Arash Takshi 教授解釋說：“目前的可穿戴電子技術(shù)主要基于印刷由金屬和/或碳納米顆粒組成的導(dǎo)電油墨。該過程依賴于圖案干燥后納米顆粒的物理連接。然而，由導(dǎo)電納米粒子制成的導(dǎo)電路徑的高電阻限制了其對簡單可穿戴電子設(shè)計的應(yīng)用，這些并不適用于敏感測量和高電流應(yīng)用。” 通過這種兩步法的增材制造工藝，將有可能創(chuàng)造出這些更持久的可穿戴設(shè)備，而不會像使用焊接等方法時經(jīng)常容易出現(xiàn)損壞織物的情況。

有了最近獲得的專利和國家科學(xué)基金會的資金支持，這種有前途的新方法可以得到進(jìn)一步發(fā)展，并可能很快被用于不同部門的未來項目，如衛(wèi)生、軍事，甚至航空航天。例如，士兵可以穿上新的智能服來幫助他們作戰(zhàn)，或者宇航員可以擁有有利于他們執(zhí)行太空任務(wù)的衣服。這項技術(shù)甚至可以用來監(jiān)測病人的健康狀況。事實上，研究人員似乎確信，盡管在使用之前仍需要許多時間的研究和開發(fā)，但由于更容易實現(xiàn)的可穿戴電子產(chǎn)品，該技術(shù)有朝一日非�？赡茉谠S多方面使我們的生活更輕松。