Nature子刊：韩国研究团队使用直接墨水书写(DIW)3D打印技术制造智能纺织品

2025年5月，南极熊获悉，韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系研究团队在npj Flexible Electronics期刊发表重要研究成果，题为Fabrication of multifunctional wearable interconnect E-textile platform using direct ink writing (DIW) 3D printing（利用直接墨水书写(DIW) 3D打印技术制造多功能可穿戴互连电子纺织品平台），推动了智能纺织品领域的发展。



研究背景
纺织品作为人类生活中不可或缺的一部分，几个世纪以来一直伴随着我们的日常生活。然而，当科学家们试图将电子功能融入这些熟悉的材料中时，却遇到了前所未有的挑战。传统的电子纺织品（E-textiles）制造方法通常复杂繁琐。

传统的纱线涂层和纺织品涂层技术虽然在一定程度上解决了问题，但随着性能要求的提高，生产方法变得越来越复杂，生产时间也大大延长。特别是丝网印刷技术，需要为每个不同的设计制作独特的模板，电子纺织品往往需要适应不同人体形状，这大大增加了所需模板的数量。


△直接墨水书写(DIW)打印纺织电子器件概述。(a) 在纺织品上DIW打印触觉传感器用于集成可穿戴设备的示意图(b)在各种纺织品上3D打印应变传感器和电极的照片(c)应变传感器和电极的扫描电子显微镜(SEM)图像。

在这样的背景下，KAIST研究团队提出了一种创新的解决方案：利用直接墨水书写（DIW）3D打印技术来开发多功能可穿戴电子纺织品。这项技术就像是给传统纺织品装上了"智能大脑"，让普通的布料具备了感知和响应的能力。

研究内容

●应变传感器：织物中的"神经系统"
研究团队制造了应变传感器，它就像是织物中的神经系统，能够精确感知各种形变。这种传感器采用了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）和多壁碳纳米管（MWCNT）的复合材料。


△3D打印应变传感器的传感性能

这种应变传感器具备卓越的性能指标：灵敏度系数高达11.07，线性度接近完美（R²≈0.99），最大应变范围可达102%。更重要的是，即使在30%应变下经过10,000次循环测试后，传感器仍能保持稳定的性能，展现出了出色的耐久性。

●互连电极：智能的"血管系统"
第二种要介绍的是互连电极，它就像是智能纺织品的血管系统，负责信号的传输和连接。研究团队巧妙地利用银片和聚苯乙烯（PS）在甲苯中的混合物，通过控制墨水的粘度来实现不同程度的渗透。通过调节墨水的渗透深度（从10%到100%），可以选择性地连接纺织品的两面，形成类似电路板中过孔的结构。即使在应变和压力作用下，这些电极也能保持稳定的电阻值（0.2-0.4Ω），确保信号传输的可靠性。

●温度传感器：可视化的"温度计"
研究团队第三个开发的是温度传感器，采用了变色染料技术。与传统需要电极和信号处理系统的温度传感器不同，这种传感器通过颜色变化来直观显示温度范围，就像是一个可视化的温度计。当温度从0°C变化到90°C时，传感器能在五秒内完成颜色转换，为用户提供直观的温度反馈。

实际应用：从实验室到日常生活

●人体运动监测：智能运动服的诞生
研究团队将应变传感器集成到运动服中，在肩部、肘部内侧和膝盖等主要关节部位放置传感器。通过监测这些关节的运动模式，系统能够识别用户正在进行的运动类型，无论是跑步、开合跳还是俯卧撑，都能被准确识别和量化。


△DIW 3D 打印集成可穿戴纺织品用于健康监测

除了用于运动员的训练监测，还可以应用于康复医学、老年人健康监护等领域。想象一下，未来的运动服能够记录你的运动轨迹，分析你的运动姿态，提供个性化的健康建议。

●呼吸监测：智能口罩的新功能
在新冠疫情让口罩成为日常必需品的今天，研究团队开发的智能口罩显得格外有意义。通过在棉质口罩上集成应变传感器，可以实时监测佩戴者的呼吸模式。实验显示，在进行30次开合跳运动时，系统能够清晰地记录呼吸强度和频率的变化：运动前呼吸平稳，运动中呼吸逐渐加强，运动后又逐渐恢复平静。这种技术在医疗监护、运动训练甚至是疫情防控方面都有重要应用价值。

●物体识别：智能手套的机器学习能力
最令人惊叹的应用是智能手套的物体识别功能。研究团队在手套的关节处安装应变传感器，在指尖安装压力传感器，总共集成了10个传感器。通过机器学习算法的训练，这款智能手套能够识别不同的物体。在对篮球、泡沫球、玩偶、玻璃杯、纸杯和笔等六种物体各进行30次抓取训练后，手套的识别准确率达到了惊人的98.32%（使用随机森林算法）和96.64%（使用梯度提升分类器）。


△智能手套在人类抓握学习中的应用

技术创新：多层结构的突破
●突破传统限制的多层设计：传统的电子纺织品研究主要局限于单面应用，无法充分利用纺织品的双面特性。KAIST研究团队的创新在于开发了多层纺织品架构，实现了纺织品双面的功能性利用。通过精心设计的三层结构——顶层的应变传感器、中间层的未连接电极和底层的压力传感器——研究团队成功实现了在单一位置同时检测应变和压力的多功能传感能力。这种设计大大提高了电子元件的集成密度，同时保持了纺织品的柔韧性。

●过孔连接技术的突破：最具创新性的技术突破是过孔连接技术的实现。通过控制不同粘度墨水的渗透深度，研究团队成功在纺织品中创建了选择性的电气连接，就像在传统电路板中制作过孔一样。这使得复杂电路的制造成为可能，为高度集成的多功能可穿戴电子设备铺平了道路。未来的智能纺织品可以像现代电子设备一样复杂和功能强大。

未来展望：智能纺织品的无限可能

这项研究在智能纺织品制造上取得了重大突破，但也存在一定的局限性。DIW打印技术在实现高分辨率图案方面仍有困难，主要是由于基板和喷嘴之间的固有间隙。此外，打印条件需要根据纺织品类型进行精细调整，这在工艺优化方面带来了挑战。未来的研究方向将集中在提高打印分辨率、优化工艺参数、扩大材料选择范围等方面。随着这些技术挑战的逐步解决，智能纺织品将迎来更广阔的应用前景。

可以说，随着3D打印技术的不断成熟和成本的降低，智能纺织品的产业化前景十分光明。3D打印技术允许根据个人需求定制化生产，正好契合了现代消费者对个性化产品的需求。

未来，智能纺织品有望成为日常生活的一部分，就像今天的智能手机一样普及。从婴儿的智能尿布到老年人的健康监测服装，从运动员的专业训练装备到普通人的日常健身服装，智能纺织品会逐步改变我们的生活方式。

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