顶刊Science刊登的可穿戴纤维流体泵及其中应用的3D打印柔性细丝

发布时间：2023-04-20 03:10:53来源：3D科学谷浏览量：

维是纺织物的基础。随着能够作为传感器、驱动器或能量存储、收集器的先进纤维材料的发展，制造先进的功能性织物成为可能。研究表明，纤维也可用于泵送流体。

流体致动是软性机器人技术的基础，也是可穿戴技术的关键方向之一。目前，缺乏可以简单地集成到纺织品中的主动流体泵，这限制了很多柔性可穿戴医疗设备的开发。这是由于，传统的刚性流体泵，具有较大噪音和振动，并不适合集成到可穿戴的功能性织物中。

为了解决以上挑战，瑞士洛桑联邦理工学院的专家学者共同报告了一种可拉伸纤维形式的流体泵。这项研究利用可伸缩纤维形式的流体泵将压力源直接集成到纺织品中，实现了无线可穿戴流体控制，扩展了纤维的应用范围。其相关科研成果以“Fiber pumps for wearable fluidic systems”为题发表最新一期的《Science》期刊上。

在这项研究中，科研团队使用复志科技的Raise3D E2 FFF/FDM 3D打印设备创建了纤维流体泵。

易于集成到可穿戴织物中的柔性流体泵

研究团队研制的纤维流体泵由连续的螺旋电极嵌入薄弹性管壁中组成，并通过电荷注入电流电动力学静默地产生压力。每米纤维可以产生100千帕斯卡的压力，流量可达每分钟55毫升，相当于每千克15瓦特的功率密度。设计自由度的优点是相当大的，研究团队通过可穿戴触觉、机械活性织物和热调节织物的演示来说明这一点。

据介绍，此次研究引进了Raise3D复志科技的FFF/FDM 3D打印机—E2，纤维流体泵的加工过程，看上去非常简单，但功能实现却着实不简单。作为一种柔性且可拉伸的管子，该纤维流体泵的直径是毫米级别的，可以在没有任何部件移动或振动的情况下产生连续的流体流动。

为了满足实际应用的要求，可穿戴储能器件必须在不同的形变（如拉伸、弯曲、扭曲和折叠）条件下保持优秀的机械性及稳定性。

3D打印技术可以快速准确的构建多种复杂的结构，为各种器件提供定制化服务，极大程度上满足可穿戴储能器件在尺寸、结构、性能以及一体化集成的要求。由于其高拉伸性和出色的回弹力，聚氨酯(polyurethane, PU)弹性体被广泛用于各种3D打印技术中。

纤维型的电流体动力泵

聚氨酯中的化学结构与聚酰胺、聚酯、聚丙烯腈和弹性纤维中的化学结构非常相似，导致形成氢键，与有机硅相比，材料与合成纤维的粘合效果明显更好。此外，聚氨酯可以很好地润湿纤维而不会穿透，使纺织品非常耐用。

纤维流体泵的表征

将纤维流体泵应用于新型可穿戴技术中，无疑是令人兴奋的，3D打印技术将在可穿戴设备的生产上扮演重要的角色。但是，其应用前景并非仅限于此。据科研学者介绍，流体泵可以让在极端温度环境或治疗环境中工作的人通过衣服循环冷热液体，以帮助控制炎症；对于那些希望优化运动表现的人来说，也是福音。

使用纤维流体泵进行热管理

E2 3D打印机助力多样化的科研需求

以上可穿戴设备纤维流体泵的研究工作，将新颖的设计和前沿的3D打印技术结合起来，引入的Raise3D E2搭载IDEX独立双喷头，支持同时打印、双色打印，双色打印交替进行互不干扰。

IDEX独立双喷头系统还能实现不同材料组合打印：硬料与软料、低温耗材与高温耗材、水溶性与不可溶耗材等，大大拓展了3D打印机的应用领域。得益于IDEX独立双喷头的特殊设计，在打印TPU、TPE、PVA、等软性耗材时，缩短材料受热承力长度，进一步提高打印软性耗材的速度。

E2的默认喷嘴直径为0.4mm，可替换为0.2、0.6、0.8和1.0mm，根据打印尺寸和精度需求，选择合适的喷嘴，更换便捷。目前为止，E2可使用以下耗材:PLA / ABS / HIPS / PC / TPU / TPE / NYLON / PETG / ASA / PP / PVA/ 玻纤增强 / 碳纤增强/ 金属填充 / 木质填充，最高温度可达300℃。将大打印空间与实现镜像打印和复制打印等打印模式的独立双喷头(IDEX)技术相结合；E2是大幅优化投入产出比的工具。

IDEX独立双喷头系统还能实现不同材料组合打印：硬料与软料、低温耗材与高温耗材、水溶性与不可溶耗材等，大大拓展了3D打印机的应用领域。

基于这些特点，Raise3D E2 3D打印机为全球众多科研团队快速进行零部件试制提供了便利。

例如，台湾国立中央大学的研究团队，在一项机器人柔性手指材料的研究工作中通过Raise3D E2 3D打印机制造TPE 柔性材料的机器人手指。

再例如，英国学者通过E2 3D打印设备开展多材料生物传感器研究。在该研究中，研究团队3D打印了多材料生物传感器，他们使用PLA 聚乳酸材料制造主体外壳，使用碳纤维复合材料CB-PLA 打印电机，使用0.4mm直径的喷嘴3D打印了包括参比电极、计数器和工作电机的便携式电化学生物传感器。该研究制备的3D打印碳纤维复合材料零件是E2 3D打印设备的典型应用方向之一。

参考来源：

Michael Smith et al.Fiber pumps for wearable fluidic systems.Science.VOL. 379, NO. 6639

今日新材料.《研究透视：Science-可穿戴流体泵 | 全纤维》

Chih-Hsing Liu,et al. Effect of the infill density on the performance of a 3D-printed compliant finger.Materials & Design.Volume 223, November 2022, 111203

R. Domingo-Roca,et al.Rapid assessment of antibiotic susceptibility using a fully 3D-printed impedance-based biosensor.Biosensors and Bioelectronics: X.Volume 13, May 2023, 100308

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