來自雲南大理的 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。論文於 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，他的導師黃豔燕是論文的通訊作者。
本次研究登上劍橋大學官網首頁（來源：劍橋大學）
DeepTech 聯繫到正在劍橋大學讀博的王文宇和他的導師黃豔燕，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。
王文宇（來源：受訪者）
比頭髮細一百倍、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，其可以用於健康監測、物聯網和生物電子傳感器等。
懸浮纖維結構的 IFP 製備
基於上述思路，該團隊歷時四年進行研發，並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，只有人類髮絲直徑的 1% 到 3%。
因此，用微納米纖維製作的呼吸傳感器，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溼氣。而且，由於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佈的三維檢測，儘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。相比傳統纖維製造工藝，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
由於 iFP（Inflight fiber printing，懸浮纖維打印）可打印出的纖維不依附於任何底板，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 流程在低於 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，即採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製備工藝中不可避免的複雜後處理。
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，由於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，從而製成 3D “懸浮電路”。
基於此，王文宇和團隊製作出一款可穿戴呼吸傳感器，由於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佈信息。
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。由於 iFP 打印出的微納米纖維電阻和溼度成正相關，因此直接將在纖維陣列兩端檢測到的電阻除以一個係數後，就直接得出溼度，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，明顯優於同類商用傳感器，這得益於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洩漏均來自口罩正面，而 N95 口罩的大部分洩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於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於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佈，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。
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、氣體的溼度、呼吸的頻率、咳嗽聲音的異常。
這麼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。儘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佈和方向，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製備出很多產品。
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，在於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，後續還可進行再轉化和多方面的應用。
王文宇表示，日後還可通過技術優化，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於製造生物相容性導電高分子纖維，這種纖維可引導細胞運動、並能將這種動態過程以電信號方式輸出，這可給日後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，所以能靈敏地檢測溼氣的變化。
據王文宇的導師黃豔燕介紹，本次傳感器的製造材料成本大概在 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。
不過黃豔燕也對其他媒體坦言：“與傳統的薄膜技術相比，由小型導電纖維製成的傳感器對 3D 流體和氣體的體積檢測特別有用，但到目前為止，打印它們並將其結合到設備中大規模製造它們一直是一個挑戰。”
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