來自云南大理的 26 歲白族留學生王文宇，和課題組聯合研發出微納米導電纖維的 3D 打印技術。論文于 9 月 30 日以《面向平面和 3D 光電和傳感器件的纖維打印》“Inflight fiber printing toward array and 3D optoelectronic and sensing architectures” 為題發表在 Science Advances 上。

同日，該研究還登上劍橋大學主頁的熱點新聞，其中王文宇是該論文的第一作者，他的導師黃艷燕是論文的通訊作者。

DeepTech 聯系到正在劍橋大學讀博的王文宇和他的導師黃艷燕，他們表示本次研究的主要貢獻，是提出一種打印導電性極好的超細纖維的首創新方法。

比頭發細一百倍、和銅絲一樣導電的微納米纖維

微納米導電纖維具有較高的長徑比、極低的彎曲剛度和高透明度。假如把微納米導電纖維組裝為 3D 結構，就能開發出新型透明透氣的柔性電子器件，其可以用于健康監測、物聯網和生物電子傳感器等。

圖 | 懸浮纖維結構的 IFP 制備

基于上述思路，該團隊歷時四年進行研發，并將成果展示在本次論文中：一種通過同心噴頭、來快速精確且靈活地打印懸空微納米纖維的新方法。

據王文宇介紹，微納米纖維結構跟普通電線相似，它是一個雙層結構，內層是導電內心，外層是絕緣高分子包裹物。其直徑只有 1-3μm，和蜘蛛網粗細差不多，只有人類發絲直徑的 1% 到 3%。

因此，用微納米纖維制作的呼吸傳感器，是個超小型懸空透明體，它不依附任何底板、比表面積也比較大，因此可以非常靈敏地感受到呼吸中的濕氣。而且，由于其比較細且可以懸空，這讓氣流可以直接透過纖維網，所以多層纖維網疊加起來就能夠實現氣流時空分布的三維檢測，盡管該纖維就像蜘蛛絲一樣細，但也擁有足夠的韌性，不會輕易被氣流吹斷。

該研究團隊展示了利用銀納米顆粒或者有機導電高分子材料組成的多材料微納米纖維陣列。相比傳統纖維制造工藝，該工藝具有更好的普適性，能夠打印不同材料組成的微納米纖維，同時，能打印出懸空的微納米纖維網。

使用 iFP 光纖創建電路結構

由于 iFP（Inflight fiber printing，懸浮纖維打印）可打印出的纖維不依附于任何底板，因此與標準透明導體薄膜相比，無襯底導電纖維陣列不存在薄膜襯底吸收和反射光線等問題，因此明顯更為透明。

在此基礎上，該團隊展示了 iFP 流程打印的新型電路架構，即 3D “懸浮 LED 電路” 的概念。此外，整個 iFP 流程在低于 100°C 的環境中完成，因此，纖維陣列能直接集成到熔融溫度較低的材料上，如常用的 3D 打印塑料。

這一優勢為低成本和易組裝的 3D “懸浮 LED 電路” 成為可能。本次研究還首次提出一種新方法，即采用一步到位的方法來將打印出來的微納米導電纖維直接集成到電路上，從而減少了傳統導電纖維制備工藝中不可避免的復雜后處理。

同時，iFP 過程還可以將微納米纖維在打印的同時就將纖維節點 “焊接” 起來，像金屬和高分子這些差異很大的導電纖維，都能被一步到位的 “焊接” 在同一個多材料纖維網絡中。在具體應用中，由于微納米電子纖維具有高導電性和機械強度，因此能連接和支撐懸空的微小電子器件，從而制成 3D “懸浮電路”。

基于此，王文宇和團隊制作出一款可穿戴呼吸傳感器，由于導電纖維具有高透氣性，該傳感器能在水汽自由透過的情況下，檢測呼出氣體水汽的時空分布信息。

圖 | 可穿戴的低成本呼吸檢測器

具體來說，該傳感器可以檢測正常呼吸、快速呼吸和咳嗽等不同狀態下的呼吸頻率和呼出氣體擴散情況。由于 iFP 打印出的微納米纖維電阻和濕度成正相關，因此直接將在纖維陣列兩端檢測到的電阻除以一個系數后，就直接得出濕度，這樣做的好處是可以讓檢測更高效，更低耗能和更直觀。

該團隊告訴 DeepTech，該傳感器在檢測快速呼吸時的分辨率，明顯優于同類商用傳感器，這得益于微納米纖維的高靈敏度。研究小組發現，織物或手術口罩的大部分泄漏均來自口罩正面，而 N95 口罩的大部分泄漏來自頂部和側面與臉鼻接觸的部位。

但是，兩種類型的口罩在正確佩戴時均有助于減弱正向的呼出氣流強度。在實驗中，王文宇將呼吸傳感器置于不同類型口罩的外側，以檢測正常呼吸和咳嗽時呼出氣流的分布，結果發現一次性口罩和 N95 口罩只要正確佩戴，均可以減弱正向的呼出氣流強度。

視頻 | 王文宇在做實驗（來源：王文宇）

這樣一款多材料的三維可穿戴傳感器，和智能手機結合在一起，可以方便的檢測呼吸時的口部狀況、呼吸時氣體的走向、氣體的濕度、呼吸的頻率、咳嗽聲音的異常。

這么多維度信息結合起來，可為遠程健康診斷提供更好、更便宜的解決方案。盡管該傳感器目前無法做到檢測病毒顆粒，但是諸多研究都表明，新冠病毒等病毒和微生物可通過呼吸道飛沫和氣溶膠傳播。

因此，通過測量不同類型的呼出氣體分布和方向，可以指導人們合理選用和佩戴口罩。除纖維傳感器以外，3D 打印微納米導電纖維技術還可制備出很多產品。

比如，該纖維還能引導且感受到生物細胞在纖維上的表現。因為微納米纖維是用 3D 打印出來的，而 3D 打印的優勢，在于其可以靈活打印各種模型。以本次展示的多種產品模型為例，后續還可進行再轉化和多方面的應用。

王文宇表示，日后還可通過技術優化，來讓該纖維檢測呼吸時口中的其他氣體，比如呼出來的氨氣、二氧化碳、酒精含量等，這些氣體的含量可以間接的反映身體的健康狀況。

除呼吸傳感器外，3D 纖維打印技術還可用于制造生物相容性導電高分子纖維，這種纖維可引導細胞運動、并能將這種動態過程以電信號方式輸出，這可給日后生物電子設備的發展和 3D 細胞檢測，提供一定的研究思路。

而小型導電纖維之所以表現優異，一是因為其具有結構優勢，二是因為檢測直觀。因為它的體積非常小，因此其底表面積的值就越大，再加上它可以懸空，所以能靈敏地檢測濕氣的變化。

據王文宇的導師黃艷燕介紹，本次傳感器的制造材料成本大概在 10 元人民幣以下。如果大批量生產價格會更低，再考慮人工和機器，成本估計大約幾塊錢。

不過黃艷燕也對其他媒體坦言：“與傳統的薄膜技術相比，由小型導電纖維制成的傳感器對 3D 流體和氣體的體積檢測特別有用，但到目前為止，打印它們并將其結合到設備中大規模制造它們一直是一個挑戰。”

談及研究中難忘的事情，王文宇表示，該項目持續長達三四年，才做出這樣的成果，期間黃艷燕這位來自中國深圳的華人教授，給了他很多指導。

一年多前，在課題組進行的過程中，黃艷燕剛好生二寶，但是即便剛生完寶寶，她也沒有落下課題組工作，甚至讓學生去她家里開會和討論。

有一次，王文宇去黃艷燕家里開會，突然聽到小孩在二樓的哭聲。這讓他非常感慨，作為一名母親和一位教授，同時要奔波在家庭和課題組兩頭。

與此同時，黃艷燕本身也是劍橋大學工程系里面少有的年輕女性科學家。而黃艷燕眼中的王文宇，則一個善于合作的人。她說在合作論文時，即便王文宇是二作、或者是署名更靠后的論文，他都會很努力地去做。

來劍橋之前，王文宇在清華大學機械工程系學習。來劍橋之后，他曾接待清華校友參觀他所在的實驗室。學習之余，他還是清華校友會劍橋地區的負責人，平日負責組織校友活動，2020 年初還曾組織校友為武漢募捐醫療用品，捐贈物品分別發往湖北武漢、黃岡和宜昌的三家醫院。

這位高中畢業于云南師大附中的白族男孩，課余喜歡讀書和旅游。如果說實驗室的小小天地，是他發揮才華的專業園圃，那么，在海外運營清華校友會，并號召捐贈疫情中的湖北，則是這位 90 后身在海外不忘家國的體現。他課余發表過文章的公眾號，也經常發布華為英國的招聘信息。

王文宇和導師黃艷燕都來自中國，這次成果已經得到很多外媒報道，但黃艷燕收到 DeepTech 的報道邀約時，雖然她的中文不甚流暢，但還是盡量用中文交流。技術上進，情懷熱切，是這對華人師生給人的最大印象。

原文標題：比頭發細一百倍！26歲白族小伙聯合發明3D打印微納米纖維傳感器，成本不到十塊錢

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責任編輯：haq