从捕捉呼吸到指导生物细胞运动,微小的透明导电纤维的3D打印可用于制造可“闻,闻和触摸”的设备-使其特别适用于健康监测,物联网和生物传感应用。
剑桥大学的研究人员使用3D打印技术(也称为增材制造)来制造电子纤维,每种电子纤维的厚度都比人的头发细100倍,从而创造出了超越传统基于胶片的设备的传感器。
在《科学进展》杂志上发表的纤维印刷技术可用于制造非接触式,可穿戴的便携式呼吸传感器中国机械网okmao.com。这些打印传感器具有高灵敏度,低成本,并且可以连接到移动电话以同时收集呼吸模式信息,声音和图像。
第一作者安迪·王(Andy Wang)是来自剑桥大学工程系的一名博士研究生,他使用纤维传感器测试了通过面部覆盖物泄漏的呼吸湿气量,以检测正常呼吸,快速呼吸和模拟咳嗽等呼吸条件。光纤传感器明显优于同类的商用传感器,特别是在监测快速呼吸方面,尤其是在重复呼吸短促方面。
尽管光纤传感器尚未设计成可检测病毒颗粒,但由于科学证据越来越多地表明,诸如冠状病毒之类的病毒颗粒可通过呼吸道飞沫和气溶胶传播,因此可测量通过不同类型的呼吸道泄漏的呼吸水分的数量和方向。面部覆盖物可以作为保护“弱”点的指标。
研究小组发现,织物或手术口罩的大部分泄漏来自正面,尤其是在咳嗽时,而N95口罩的大部分泄漏来自顶部和侧面并带有紧身配件。但是,两种类型的口罩在正确佩戴时均有助于减弱呼气气流。
“与传统的薄膜技术相比,由小型导电纤维制成的传感器对于3D流体和气体的体积感测尤其有用,但是到目前为止,将它们打印并集成到设备中并大规模制造它们一直是一个挑战, ”负责这项研究的剑桥工程系的Yan Yan Shery Huang博士说。
Huang和她的同事3D打印了由银和/或半导体聚合物制成的复合纤维。这种纤维印刷技术可形成芯-壳纤维结构,其高纯度导电纤维芯被薄的保护性聚合物外皮包裹,类似于普通电线??的结构,但直径只有几微米。
除呼吸传感器外,印刷技术还可用于制造尺寸与生物细胞相似的生物相容性纤维,从而使它们能够引导细胞运动并将这种动态过程“感知”为电信号。而且,纤维是如此之细,以至于肉眼看不见,因此当它们用于连接3D小型电子元件时,似乎电子在空中“漂浮”。
Huang说:“我们的光纤传感器重量轻,价格便宜,体积小且易于使用,因此有可能将其转变为家庭测试设备,以使公众能够进行自我管理的测试以获取有关其环境的信息。”
该团队希望为多种多功能传感器开发这种纤维印刷技术,这些传感器可能会检测更多的呼吸物种,以用于移动健康监测或生物机界面应用。