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近日，華東師范大學通信與電子工程學院/集成電路學院郁哲助理研究員與韓國科學技術院（KAIST）應鄔彬副教授在材料科學領域國際頂級期刊《Journal of Materials Chemistry A》發(fā)表題為 “Multiple artificial mechanoreceptor-embedded waterproof ciliated E-skin via direct-ink-writing vertically 3D printing toward health management of seafarers” 的高水平研究論文（DOI: 10.1039/d5ta04906g）。在該研究中，森工科技研發(fā)生產的AutoBio1000 3D打印機高效的完成了高縱橫比微纖毛的垂直 3D 打印制備環(huán)節(jié)，為新型防水纖毛電子皮膚（WCES）的性能突破提供了核心技術支撐。

一、科研背景：海事環(huán)境下的健康監(jiān)測難題亟待突破

全球 80% 以上的跨境貿易依賴海運，船員長期處于密閉、高濕的船舶環(huán)境中，易出現(xiàn)血壓異常、循環(huán)障礙、自主神經系統(tǒng)功能紊亂等健康問題。然而，傳統(tǒng)可穿戴傳感器在高濕環(huán)境下常因濕氣會引起信號不穩(wěn)定，難以實現(xiàn)持續(xù)生理監(jiān)測；現(xiàn)有防水型電子皮膚（E-skin）又多存在靈敏度低、制備復雜等瓶頸，無法滿足海事場景的實用需求。為解決這一痛點，華師大&韓國KAIST團隊創(chuàng)新性地從人體皮膚表皮毛發(fā)與機械感受器的結構功能中汲取靈感，提出 “垂直 3D 打印微纖毛 + 嵌入式人工機械感受器” 的協(xié)同設計方案，而森工 AutoBio1000 3D打印機憑借精準的擠出控制與工藝兼容性，成為實現(xiàn)這一設計的關鍵設備支撐。

 概念圖1：表皮毛發(fā)和微纖毛陣列示意圖。（a）表皮毛發(fā)及其與真皮中多個機械感受器（如快適應感受器和慢適應感受器）相互作用的示意圖。（b）基于嵌入炭黑（CB）和離子液體（IL）的聚氨酯（PU）基質的防水纖毛電子皮膚（WCES）的設計原理。在壓力作用下，炭黑的顆粒滑動和離子液體中的離子遷移分別模擬快適應感受器和慢適應感受器的反應。使用揮發(fā)性溶劑將聚氨酯復合材料配制成高屈服應力墨水，通過基于擠出的直接墨水書寫技術實現(xiàn)微纖毛的垂直3D打印，在此過程中，溶劑的快速蒸發(fā)會在表面產生穩(wěn)定性。

二、核心突破：森工AutoBio1000 3D打印機賦能高性能 WCES 制備

1. 攻克高長徑比微纖毛打印技術難題

微纖毛是 WCES 實現(xiàn)防水與高靈敏度的核心結構 —— 其暴露部分可形成疏水保護層，嵌入部分則能傳遞機械信號。但傳統(tǒng)直寫 3D 打印（DIW）受限于墨水流變特性，難以制備垂直取向、高長徑比（H/F）的微纖毛結構。團隊通過優(yōu)化墨水配方（以聚氨酯 PU 為基體，添加炭黑 CB、離子液體 IL 及揮發(fā)性溶劑 DMF），并利用森工AutoBio1000 3D打印機的精準參數(shù)調控功能，成功實現(xiàn)微纖毛的垂直 3D 打印。最終制備的微纖毛縱橫比達 3.55，且在打印過程中因溶劑快速蒸發(fā)形成穩(wěn)定外殼，避免結構坍塌，為 WCES 的性能奠定基礎。

圖1：不同材料制成的薄膜的特性以及微纖毛的打印工藝。(a) 不同材料制成的薄膜在壓力下的電響應。(b) 由PU、CB和IL制成的薄膜在不同加載條件下的阻抗奈奎斯特圖。(c) 不同油墨垂直3D打印微纖毛過程中關鍵時刻的照片。從左到右，油墨的CB含量分別為35 wt%、40 wt%和45 wt%。(d) 三種油墨樣品的流變特性。實線和虛線分別代表儲能模量（G'）和損耗模量（G''）。(e) 油墨樣品的表觀粘度（h）與剪切速率的函數(shù)關系.

2. 助力實現(xiàn) “防水 + 高靈敏” 雙重優(yōu)勢

依托 AutoBio1000 3D打印的微纖毛陣列WCES 展現(xiàn)出卓越性能：

超強防水性：微纖毛結構使材料水接觸角從 41.3° 提升至 113.7°，形成微米級空氣隔離層，水滴可沿表面滾落，浸泡于海水（5% NaCl 溶液）、茶、果汁等溶液后，信號衰減率最高僅 7.75%；

超高靈敏度：通過微纖毛的應力集中效應，結合 CB（模擬快速適應感受器 FA-R）與 IL（模擬慢速適應感受器 SA-R）的雙模機械轉導，WCES 在 0-10 kPa 壓力范圍內靈敏度達 14.9 kPa?1，遠超現(xiàn)有防水傳感器（0.001-1 kPa?1）；

優(yōu)異穩(wěn)定性：經 10000 次壓力循環(huán)測試、6 天加速老化測試（模擬半年自然暴露）后，仍保持穩(wěn)定的電學性能與機械性能，斷裂韌性達 1.96 MJ/m3。

圖2： WCES的微觀結構和電學性能。（a）垂直打印的微纖毛陣列照片。比例尺為5毫米。插圖是陣列的光學顯微鏡圖像，比例尺為1毫米。（b）單個微纖毛的SEM圖像以及通過EDS掃描得到的相應元素分布圖像。左側SEM圖像和放大后的SEM圖像的比例尺分別為300微米和20微米。（c）在薄膜表面打印微纖毛陣列前后的水接觸角測量照片。（d）水滴在帶有微纖毛陣列的薄膜表面滾動的測試照片。（e）具有不同密度微纖毛陣列的WCES的壓力依賴性電響應譜。（f）具有5×5微纖毛陣列的WCES在不同壓力范圍內的線性靈敏度。（g）本研究中垂直打印的WCES（紅色）與其他已報道的防水傳感器（藍色）和傳統(tǒng)傳感器（紫色）的靈敏度比較。（h）WCES的靈敏度隨在不同溶液中浸泡時間的變化。（i）加速老化試驗前后樣品的ATR-FTIR光譜。

圖 3 水合碳電極傳感器（WCES）浸泡前后其他傳感性能的變化，包括動態(tài)范圍（DH）（a）、重現(xiàn)性（b 和 c）、響應時間（RT）（d）和檢測限（LoD）（e）。（f）水合碳電極傳感器（WCES）浸泡前后經過 10000 次循環(huán)的穩(wěn)定性測試結果。（g）通過有限元分析得到的 100 千帕壓力下微纖毛的應力分布。（h）顯示壓力加載 - 卸載過程中微纖毛過載情況的照片。

三、實際應用：海事健康監(jiān)測系統(tǒng)落地可期

基于 AutoBio1000 制備的 WCES，團隊進一步構建了船員健康管理系統(tǒng)：在 80% 相對濕度環(huán)境中，將 WCES 貼附于頸動脈處，可清晰捕捉脈搏信號（含 3 個特征峰），并結合隨機森林（RF）機器學習模型對不同生理狀態(tài)（靜坐、行走、慢跑）下的脈搏信號進行分類，識別準確率高達 97.58%。

這一系統(tǒng)可實時監(jiān)測船員心率變化，及時預警健康風險，為解決海上醫(yī)療診斷滯后問題提供了創(chuàng)新方案，也為高性能電子皮膚在海事、水下作業(yè)等極端環(huán)境中的應用開辟了新路徑。

圖4 WCES在健康監(jiān)測領域的應用。（a）基于WCES的海員健康管理系統(tǒng)示意圖。（b）WCES檢測到的三名志愿者在坐著、走路和慢跑狀態(tài)下的脈搏信號。（c）主成分分析（PCA）降維后的隨機森林（RF）分類可視化。（d）在隨機森林（RF）模型訓練下，不同脈搏信號的識別準確率隨迭代次數(shù)的變化。（e）訓練70次迭代后的混淆矩陣

四、設備價值：森工科技賦能科研創(chuàng)新

AutoBio1000為深圳森工科技有限公司科研3D打印設備AutoBio系列中的專業(yè)版配置，采用DIW墨水直寫3D打印成型技術。憑借 “高兼容性、高精度、高穩(wěn)定性” 的核心優(yōu)勢，已成為材料科學、柔性電子、生物醫(yī)學等領域科研團隊的重要工具。其支持多種墨水體系（如聚合物、復合材料、生物墨水等）的擠出成型，可精準調控打印參數(shù)、可進行多模態(tài)拓展升級，實現(xiàn)從平面到立體、從微米到毫米級結構的高效制備，為科研創(chuàng)新提供了靈活、可靠的設備保障。

此次，華師大&韓國KAIST聯(lián)合科研團隊的研究成果，再次印證了森工科技在科研裝備領域的技術實力，也彰顯了 “設備 - 科研” 協(xié)同創(chuàng)新對推動學科發(fā)展的重要意義。未來，森工科技將繼續(xù)努力為更多科研團隊提供優(yōu)質設備與技術服務，助力更多高水平成果落地！