智能穿戴提升新高度，USF研究人员开发出在织物上3D打印铜的新方法

导读：可穿戴电子产品正变得越来越普遍，身上的衣服可以通过有线连接到一系列设备，比如戴在帽子里的耳机。未来，使可穿戴设备电路小型化、与衣物或其他物体可贴合将会成为可穿戴技术发展的主要方向。

2022年7月26日，南极熊获悉，来自南佛罗里达大学 (USF)电气工程系的研究人员在可穿戴电子设备领域取得了新的突破：他们开发出一种新颖的电化学方法，可以将铜直接3D打印在丝织物上，相关的专利（A. Takshi，SM Rosa-Ortiz，专利号 11,214,884）也已获得批准。此外，该项目还获得了美国国家科学基金会 (NSF) 369,574 美元的官方资助，这将推动可穿戴电子产品的制作水平提升到一个新的高度。

△直接在织物上打印，将可穿戴技术提升到更高水平。

在这个时代，电子产品已经发展到了几十年前难以想象的水平。，那些仅有着单一用途的笨重设备的日子已经一去不复返了。如今，我们拥有智能手表、多功能耳机，甚至可穿戴电脑眼镜，并且将可穿戴电子设备嵌入到衣服中的可能性指日可待。为了进一步推进此类技术，USF大学电气工程系副教授 Arash Takshi 和创新研究团队的Sylvia Thomas 教授开发了一种称为析氢辅助 (HEA) 电镀的新方法，使直接在丝织物上打印铜成为可能，这一创新想法为更多的技术创新打开了大门。

△ArashTakshi 教授在工作中（图片来源：USF）

使用3D 打印铜创建可穿戴电子产品

这种新颖的工艺类似于 3D 打印，并且通过使用由 Thomas 管理的先进膜和材料生物与集成研究实验室 (AMBIR) 的设备支持其开发。

项目的联合首席研究员Thomas声称，这项发明有可能改变整个可穿戴电子产品的生产线。他说：“这项技术将进一步推进我们设想的可穿戴电子产品、纺织电子产品和我们今天所知道的柔性电子产品的方式——从实验室到创新再到产品，”

尽管铜电镀已使用多年，但传统电镀使用低电压和高电流，以每秒几百纳米的速度沉积铜。以这样的速度，在一件衣服上打印电路布局需要数小时甚至数天。

新设计的可穿戴电子产品增材工艺包括两个步骤：首先，使用激光打印技术将导电模板应用到织物上。在这个过程中，织物被碳化，这增强了它的稳定性，使其更耐用。在下一步中，电镀铜用于产生连续的铜图案，在织物上形成电子元件的电路布局。特殊设计的喷嘴安装在 3D 打印设备上，可实现局部电镀，并使铜在电子元件端子和电路印刷布局之间的连接处生长，并在室温下焊接它们。新方法与以往制作方法的主要区别在于，Takshi和Thomas的方法在制作过程中施加了相对较大的电压，仍然在 2-3 V 的范围内，最终导致在铜生长的同时电解水，这种称为析氢辅助 (HEA) 电镀的方法突破了铜生长的限制，使过程更快，并增强了印刷结构的机械稳定性。实现了比传统电镀高三个数量级的速率。

Arash Takshi 教授解释说：“目前的可穿戴电子技术主要基于印刷由金属和/或碳纳米颗粒组成的导电油墨。该过程依赖于图案干燥后纳米颗粒的物理连接。然而，由导电纳米粒子制成的导电路径的高电阻限制了其对简单可穿戴电子设计的应用，这些并不适用于敏感测量和高电流应用。” 通过这种两步法的增材制造工艺，将有可能创造出这些更持久的可穿戴设备，而不会像使用焊接等方法时经常容易出现损坏织物的情况。

有了最近获得的专利和国家科学基金会的资金支持，这种有前途的新方法可以得到进一步发展，并可能很快被用于不同部门的未来项目，如卫生、军事，甚至航空航天。例如，士兵可以穿上新的智能服来帮助他们作战，或者宇航员可以拥有有利于他们执行太空任务的衣服。这项技术甚至可以用来监测病人的健康状况。事实上，研究人员似乎确信，尽管在使用之前仍需要许多时间的研究和开发，但由于更容易实现的可穿戴电子产品，该技术有朝一日非常可能在许多方面使我们的生活更轻松。