2025年5月，韓國科學技術院（KAIST）材料科學與工程系研究團隊在npj Flexible Electronics期刊發表重要研究成果，題為Fabrication of multifunctional wearable interconnect E-textile platform using direct ink writing (DIW) 3D printing（利用直接墨水書寫(DIW) 3D打印技術制造多功能可穿戴互連電子紡織品平臺），推動了智能紡織品領域的發展。



研究背景
       紡織品作為人類生活中不可或缺的一部分，幾個世紀以來一直伴隨著我們的日常生活。然而，當科學家們試圖將電子功能融入這些熟悉的材料中時，卻遇到了前所未有的挑戰。傳統的電子紡織品（E-textiles）制造方法通常復雜繁瑣。
     傳統的紗線涂層和紡織品涂層技術雖然在一定程度上解決了問題，但隨著性能要求的提高，生產方法變得越來越復雜，生產時間也大大延長。特別是絲網印刷技術，需要為每個不同的設計制作獨特的模板，電子紡織品往往需要適應不同人體形狀，這大大增加了所需模板的數量。


△直接墨水書寫(DIW)打印紡織電子器件概述。(a) 在紡織品上DIW打印觸覺傳感器用于集成可穿戴設備的示意圖(b)在各種紡織品上3D打印應變傳感器和電極的照片(c)應變傳感器和電極的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
      在這樣的背景下，KAIST研究團隊提出了一種創新的解決方案：利用直接墨水書寫（DIW）3D打印技術來開發多功能可穿戴電子紡織品。這項技術就像是給傳統紡織品裝上了"智能大腦"，讓普通的布料具備了感知和響應的能力。
研究內容
●應變傳感器：織物中的"神經系統"
研究團隊制造了應變傳感器，它就像是織物中的神經系統，能夠精確感知各種形變。這種傳感器采用了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和多壁碳納米管（MWCNT）的復合材料。


△3D打印應變傳感器的傳感性能
      這種應變傳感器具備卓越的性能指標：靈敏度系數高達11.07，線性度接近完美（R²≈0.99），最大應變范圍可達102%。更重要的是，即使在30%應變下經過10,000次循環測試后，傳感器仍能保持穩定的性能，展現出了出色的耐久性。
●互連電極：智能的"血管系統"
第二種要介紹的是互連電極，它就像是智能紡織品的血管系統，負責信號的傳輸和連接。研究團隊巧妙地利用銀片和聚苯乙烯（PS）在甲苯中的混合物，通過控制墨水的粘度來實現不同程度的滲透。通過調節墨水的滲透深度（從10%到100%），可以選擇性地連接紡織品的兩面，形成類似電路板中過孔的結構。即使在應變和壓力作用下，這些電極也能保持穩定的電阻值（0.2-0.4Ω），確保信號傳輸的可靠性。
●溫度傳感器：可視化的"溫度計"
研究團隊第三個開發的是溫度傳感器，采用了變色染料技術。與傳統需要電極和信號處理系統的溫度傳感器不同，這種傳感器通過顏色變化來直觀顯示溫度范圍，就像是一個可視化的溫度計。當溫度從0°C變化到90°C時，傳感器能在五秒內完成顏色轉換，為用戶提供直觀的溫度反饋。
​實際應用：從實驗室到日常生活
●人體運動監測：智能運動服的誕生
研究團隊將應變傳感器集成到運動服中，在肩部、肘部內側和膝蓋等主要關節部位放置傳感器。通過監測這些關節的運動模式，系統能夠識別用戶正在進行的運動類型，無論是跑步、開合跳還是俯臥撐，都能被準確識別和量化。


△DIW 3D 打印集成可穿戴紡織品用于健康監測

除了用于運動員的訓練監測，還可以應用于康復醫學、老年人健康監護等領域。想象一下，未來的運動服能夠記錄你的運動軌跡，分析你的運動姿態，提供個性化的健康建議。

●呼吸監測：智能口罩的新功能
在新冠疫情讓口罩成為日常必需品的今天，研究團隊開發的智能口罩顯得格外有意義。通過在棉質口罩上集成應變傳感器，可以實時監測佩戴者的呼吸模式。實驗顯示，在進行30次開合跳運動時，系統能夠清晰地記錄呼吸強度和頻率的變化：運動前呼吸平穩，運動中呼吸逐漸加強，運動后又逐漸恢復平靜。這種技術在醫療監護、運動訓練甚至是疫情防控方面都有重要應用價值。

●物體識別：智能手套的機器學習能力
最令人驚嘆的應用是智能手套的物體識別功能。研究團隊在手套的關節處安裝應變傳感器，在指尖安裝壓力傳感器，總共集成了10個傳感器。通過機器學習算法的訓練，這款智能手套能夠識別不同的物體。在對籃球、泡沫球、玩偶、玻璃杯、紙杯和筆等六種物體各進行30次抓取訓練后，手套的識別準確率達到了驚人的98.32%（使用隨機森林算法）和96.64%（使用梯度提升分類器）。


△智能手套在人類抓握學習中的應用

技術創新：多層結構的突破
●突破傳統限制的多層設計：傳統的電子紡織品研究主要局限于單面應用，無法充分利用紡織品的雙面特性。KAIST研究團隊的創新在于開發了多層紡織品架構，實現了紡織品雙面的功能性利用。通過精心設計的三層結構——頂層的應變傳感器、中間層的未連接電極和底層的壓力傳感器——研究團隊成功實現了在單一位置同時檢測應變和壓力的多功能傳感能力。這種設計大大提高了電子元件的集成密度，同時保持了紡織品的柔韌性。

●過孔連接技術的突破：最具創新性的技術突破是過孔連接技術的實現。通過控制不同粘度墨水的滲透深度，研究團隊成功在紡織品中創建了選擇性的電氣連接，就像在傳統電路板中制作過孔一樣。這使得復雜電路的制造成為可能，為高度集成的多功能可穿戴電子設備鋪平了道路。未來的智能紡織品可以像現代電子設備一樣復雜和功能強大。

未來展望：智能紡織品的無限可能

這項研究在智能紡織品制造上取得了重大突破，但也存在一定的局限性。DIW打印技術在實現高分辨率圖案方面仍有困難，主要是由于基板和噴嘴之間的固有間隙。此外，打印條件需要根據紡織品類型進行精細調整，這在工藝優化方面帶來了挑戰。未來的研究方向將集中在提高打印分辨率、優化工藝參數、擴大材料選擇范圍等方面。隨著這些技術挑戰的逐步解決，智能紡織品將迎來更廣闊的應用前景。

可以說，隨著3D打印技術的不斷成熟和成本的降低，智能紡織品的產業化前景十分光明。3D打印技術允許根據個人需求定制化生產，正好契合了現代消費者對個性化產品的需求。

未來，智能紡織品有望成為日常生活的一部分，就像今天的智能手機一樣普及。從嬰兒的智能尿布到老年人的健康監測服裝，從運動員的專業訓練裝備到普通人的日常健身服裝，智能紡織品會逐步改變我們的生活方式。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00414-7#Bib1

(責任編輯：admin)

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