微納級3D打印頻現(xiàn)Science、Nature等頂刊，成科研創(chuàng)新熱點

南極熊導讀：微納級3D打印是一種先進的制造技術，它能夠在微米和納米尺度上創(chuàng)建復雜的三維結(jié)構(gòu)。這項技術在光學、醫(yī)療、電子等領域的微型化、功能化和集成化發(fā)展中起著至關重要的作用。微納級3D打印現(xiàn)在已經(jīng)成為科研突破的熱點，科研上的創(chuàng)新擴展了微納級3D打印的各種材料和應用領域。而國內(nèi)微納級3D打印大廠摩方精密，更是助力了一批大學在Science、Nature等國際頂級期刊發(fā)表了重磅成果。

《Science Robotics》封面文章：面向機器視覺應用的基于半球形納米線陣列的超寬視場針孔復眼

2024年，香港科技大學范智勇教授團隊開發(fā)了一種獨特的針孔復眼（PHCE）系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了3D打印的蜂窩狀光學結(jié)構(gòu)和半球形的全固態(tài)高密度鈣鈦礦納米線（PNA）光電探測器陣列。這種無透鏡的針孔結(jié)構(gòu)（PHA）可以根據(jù)底層圖像傳感器的需求，設計制備出任意布局。該團隊通過對比光學模擬和成像結(jié)果驗證了該視覺系統(tǒng)的關鍵特性和功能，包括超寬視場、精準的目標定位和運動跟蹤能力。該團隊進一步演示了PHCE系統(tǒng)在無人機上的功能集成，使其能夠跟蹤地面上的四足機器人。這種獨特的空中-地面協(xié)作機器人互動展示了PHCE系統(tǒng)在未來多機器人協(xié)作和機器人群技術開發(fā)中的潛在應用前景。



相關工作以“An ultrawide field-of-view pinhole compound eye using hemispherical nanowire array for robot vision”為題發(fā)表于國際頂級學術期刊《Science Robotics》，并當選當月封面文章。香港科技大學電子與計算機工程系博士后周宇、孫梽博和博士研究生丁宇宬為文章共同第一作者，香港科技大學電子與計算機工程系講席教授范智勇為文章通訊作者。該工作得到了香港研究資助局項目、粵港澳聯(lián)合實驗室項目、科學探索獎以及中銀香港科技創(chuàng)新獎的大力支持。

圖1. PHCE及其集成組件的示意圖和圖像。(A)PHCE整體結(jié)構(gòu)示意圖。(B)PHCE系統(tǒng)的剖視圖。(C)半球形多孔氧化鋁膜中鈣鈦礦納米線的橫截面電鏡圖像和宏觀照片。(D)強盜蠅眼的宏觀照片。(E)安裝在印刷電路板上的PHCE系統(tǒng)的側(cè)視照片。(F)相鄰針孔單元的橫截面示意圖。(G) 不同小眼間角下針孔像素數(shù)量與整體視場角的相對關系。(H)單個針孔和針孔陣列角度依賴的歸一化強度分布。

要點：研究者受到昆蟲（例如強盜蠅）復眼獨特幾何結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設計了蜂窩狀的針孔陣列，通過光學計算和模擬仿真優(yōu)化了有限像素數(shù)下的接受角Δφ、小眼間角ΔΦ，確定了對應針孔的最佳長度直徑比，可以消除相鄰小眼之間的盲區(qū)并減少光效率損失。研究者使用摩方精密面投影微立體（PμSL）光刻3D打印技術（nanoArch® P140，精度：10 μm）制備了對應幾何參數(shù)的針孔陣列，并與半球殼的凸面共形，原料為光敏樹脂。由于高打印自由度和簡化的結(jié)構(gòu)，上述針孔陣列的參數(shù)可以很好地設計和協(xié)調(diào)，以滿足對應圖像傳感器的需求。


要點：鈣鈦礦納米線是在氧化鋁納米通道內(nèi)以鉛納米線作為前驅(qū)體之一生長的，未完全消耗的鉛與鈣鈦礦形成接觸，在除去基底后，通過熱蒸鍍的方式制備凹球面的銦電極，研究者使用PμSL 3D打印技術制備了與半球殼凹面共形的掩膜版。氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦材料提供了天然的封裝，提高了器件的工作性能。通過調(diào)節(jié)鈣鈦礦中的鹵素和金屬元素，PNA光電探測器感測區(qū)域可以從可見拓展到近紅外。在弱光下，探測器的響應度可達到2.9 A/W，隨著光照強度的增加，光電流增加而響應度減小。此外，未封裝的器件在常規(guī)環(huán)境中存放 10 個月后，仍保持超過80%的原始光電流數(shù)值。

原文鏈接:
https://doi.org/10.1126/scirobotics.adi8666


《Nature》：可注射超聲傳感器用于顱內(nèi)生理信號監(jiān)測

2024年6月，華中科技大學臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊攜手合作，研發(fā)出一種創(chuàng)新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統(tǒng)有線傳感器存在的感染風險和術后并發(fā)癥等問題，同時避免現(xiàn)有無線電子傳感器體積過大、無法體內(nèi)降解等臨床應用挑戰(zhàn)。相關研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為題在線發(fā)表于《Nature》雜志。



△"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"

研究背景：
當前，臨床上監(jiān)測顱內(nèi)壓等關鍵生理指標的技術，通常需要通過外科手術將有線傳感器植入患者顱內(nèi)。這種方法存在一定風險，如術后感染和并發(fā)癥等。盡管現(xiàn)有的無線電子傳感器能夠在一定程度上降低這些風險，但由于它們的體積較大（例如，傳統(tǒng)電子元件的截面積往往超過1平方厘米），因此不適合通過微創(chuàng)注射方式植入。此外，由于無線電子傳感器不能在體內(nèi)自然降解，患者還需要進行二次手術來移除它們。


△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設計原理--基于超聲反射的超凝膠無線顱內(nèi)生理傳感器示意圖。

研究內(nèi)容：
●研究團隊設計并制造了一種新型傳感器結(jié)構(gòu)，名為"超聲超凝膠"，是由雙網(wǎng)絡交聯(lián)的水凝膠基質(zhì)和內(nèi)部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(nanoArch® S140，精度：10 μm)加工模具后，經(jīng)水凝膠翻模制備而成。經(jīng)過計算機模擬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該特殊結(jié)構(gòu)在8-10MHz頻段具有聲學帶隙，對入射超聲波有很強的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個月后可自然降解，無需再次開顱取出。

●在大鼠和豬的動物實驗中，這一凝膠傳感系統(tǒng)展現(xiàn)出媲美商用有線臨床設備的檢測精度，且在耗能、無熱效應等方面表現(xiàn)出極大優(yōu)勢。值得一提的是，在實驗豬體內(nèi)，它甚至能檢測到微小的呼吸引起的顱內(nèi)壓力細微波動(約1 mmHg)，而同步植入的有線壓力傳感器則無法監(jiān)測到如此精細的變化。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07334-y

《Adv.Mater》：具有高透水透氣性、穩(wěn)定黏附和長時間耐用性的仿樹蛙腳蹼的可穿戴柔性電極

2024年6月，西安交通大學邵金友、田洪淼團隊提出了一種仿樹蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極，用于生理電信號的長時間連續(xù)監(jiān)測。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度：2μm)高精度3D打印設備加工模具后使用導電復合材料翻模制備而成。相關研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability”發(fā)表在《Advanced Materials》上。



研究背景
近年來，隨著生理電信號在輔助醫(yī)療、科學訓練及神經(jīng)科學研究等的領域的不斷深入和廣泛應用，可穿戴柔性電極成為了眾多學者的研究焦點。非侵入式柔性電極能夠?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號轉(zhuǎn)換為電子元器件可讀取的電子信號，成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實現(xiàn)高質(zhì)量信號的采集、實現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長時間穩(wěn)定粘附及提高長時間穿戴舒適性，是阻礙柔性電極應用的研究難點。盡管已有研究團隊提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結(jié)構(gòu)，但仍舊難以實現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機統(tǒng)一。因此，開發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩(wěn)定性的柔性電極十分必要。


△設計靈感來源及結(jié)構(gòu)展示——仿生靈感來源&電極結(jié)構(gòu)示意

研究內(nèi)容
●研究人員設計了一種兼具高透水透氣性、穩(wěn)定粘附性及長時間耐用性的柔性可穿戴電極。在設計完成電極的微觀結(jié)構(gòu)之后，研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術加工了具有良好一致性的樹脂模具，并通過模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極（對比組）。仿生電極相較于對比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍，實現(xiàn)了在干/濕環(huán)境下的穩(wěn)定附著。

●研究團隊還測試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過率，該電極的正向/逆向水蒸氣透過率相較于棉織物提升了近12/6倍，實現(xiàn)了較好的透氣性能。最后，研究團隊采集了多種生理電信號，并對其進行了分析。相較于已報道文獻，本文所提出的仿生電極在機械性能、電學性能及電極性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的均衡性能。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202404761

《Additive Manufacturing》:通過模塊化設計的擠出頭調(diào)控纖維內(nèi)部周期性結(jié)構(gòu)

2024年6月，來自西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體。研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”為題發(fā)表在學術期刊《Additive Manufacturing》上。


△Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads

研究背景
直接墨水書寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優(yōu)勢。為了擴展擠出過程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設計已被用于創(chuàng)建多功能纖維結(jié)構(gòu)。然而，由于高分辨率微流道的設計和制造的復雜性，目前擠出頭的結(jié)構(gòu)選擇仍然有限。


△(a):串聯(lián)(左)和串并聯(lián)擠出頭(右)的照片。(b):定制的四軸打印平臺(左)和在3D打印設備中組裝的擠出頭(右)。比例尺，5 mm (a)。

研究內(nèi)容
西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調(diào)控周期性結(jié)構(gòu)的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結(jié)構(gòu)的 3D 物體。不同功能的模塊可以通過串聯(lián)，并聯(lián)，串并聯(lián)等不同的方式進行連接組裝，用來制備具有層狀結(jié)構(gòu)和棋盤結(jié)構(gòu)的多材料纖維。纖維內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，模塊的種類數(shù)量和尺寸進行控制。通過模塊化平臺策略，極大的簡化了擠出頭設計的難度，提高了具有周期性結(jié)構(gòu)纖維的加工效率。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch® P140和S140 高精度DLP 3D打印設備（精度：10μm）一體化成型制造而成。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104234
Nature Communications：超快響應電容型電子皮膚

南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授、中國科學技術大學近代力學系王柳教授、中國商用飛機有限責任公司陳迎春研究員研究團隊合作開發(fā)了一種超快響應的電容型電子皮膚。團隊深入研究了微結(jié)構(gòu)界面的能量耗散對電容型柔性壓力傳感器響應-恢復速度的影響，采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術，將這類傳感器的頻率帶寬從數(shù)百赫茲擴展至至少12500 Hz，該研究為推動電容型柔性壓力傳感器從動態(tài)壓力檢測到聲學領域的應用提供了新的思路。

相關成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發(fā)表在學術期刊《Nature Communications》上，南方科技大學材料系博士研究生張愿、中國科學院深圳先進技術研究院高級工程師周小猛、中國科學技術大學近代力學系碩士研究生張念為本文的共同第一作者，郭傳飛教授、王柳教授和陳迎春研究員作為共同通訊作者，南方科技大學為該論文的第一通信單位。

通過有限元模擬，研究團隊發(fā)現(xiàn)在粘附-脫附過程中微結(jié)構(gòu)界面所能引發(fā)的顯著能量耗散的現(xiàn)象，這在一定程度上導致了器件響應速度的下降。針對這一問題，該團隊采用微結(jié)構(gòu)界面的一體化粘接技術，同時結(jié)合彈性體-碳納米管的滲流轉(zhuǎn)變傳感機制，使傳感器在保證較高靈敏度的同時，其響應速度成功提升至12500 Hz水平。團隊采用摩方精密nanoArch® S130（精度：2 μm）3D打印設備，實現(xiàn)了微錐結(jié)構(gòu)模板的高精度打�。ㄖ睆剑�50 μm，高度：40 μm），并結(jié)合倒模技術制備了柔性PDMS-CNTs微結(jié)構(gòu)介電層。通過采用摻雜碳納米管降低粘彈性，結(jié)合粘接的微結(jié)構(gòu)界面減少界面摩擦能量耗散，實現(xiàn)了傳感器的超快響應（圖1）。

圖1. 具有非粘接和粘接微結(jié)構(gòu)界面的傳感器在加載和卸載過程中的能量損失對比、粘合微結(jié)構(gòu)界面的傳感器的響應-恢復時間

粘合微錐界面可減少在接觸-分離過程中的能量耗散，從而提高傳感器的響應和恢復速度。研究團隊通過有限元模擬進一步研究了微錐結(jié)構(gòu)對響應和恢復時間的影響。通過調(diào)整微錐結(jié)構(gòu)的三個重要參數(shù)：高度H、初始接觸面積A0以及直徑D，研究了不同參數(shù)的微錐結(jié)構(gòu)對響應和回復時間的影響，從而實現(xiàn)了低能量耗散、高靈敏度和高機械穩(wěn)定性的平衡。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47408-z


微納級3D打印發(fā)展
微納級3D打印是一種高精度的制造技術，利用高精度的材料成型技術，結(jié)合計算機輔助設計和數(shù)字化模型，可以實現(xiàn)微小物體和微結(jié)構(gòu)的精確打印，被廣泛應用于微電子、微機械、微光學等領域。微納級3D打印也是目前全球先進制造熱點之一，因為隨著光學、醫(yī)療、電子等應用領域的器件微型化、功能化和集成化的發(fā)展趨勢，越來越多的器件的核心設計都依賴于3D復雜微納結(jié)構(gòu)。

目前能實現(xiàn)納米級制造（加工），并已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化技術路徑的大類包括深紫外光刻、納米壓印、電子束加工（電能最終轉(zhuǎn)化為熱能）、離子束加工（電能轉(zhuǎn)化為動能，離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入。微納 3D 打印這一大類別的技術在復雜3D微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)以及復合材料3D微納結(jié)構(gòu)制造方面都具有很大的潛能和突出優(yōu)勢，而且還具有設備簡單、效率高、用材廣泛、無需掩模或模具直接成型等優(yōu)點。

尖端技術