南極熊導讀：微納級3D打印是一種先進的制造技術，它能夠在微米和納米尺度上創建復雜的三維結構。這項技術在光學、醫療、電子等領域的微型化、功能化和集成化發展中起著至關重要的作用。微納級3D打印現在已經成為科研突破的熱點，科研上的創新擴展了微納級3D打印的各種材料和應用領域。而國內微納級3D打印大廠摩方精密，更是助力了一批大學在Science、Nature等國際頂級期刊發表了重磅成果。

《Science Robotics》封面文章：面向機器視覺應用的基于半球形納米線陣列的超寬視場針孔復眼

2024年，香港科技大學范智勇教授團隊開發了一種獨特的針孔復眼（PHCE）系統，該系統集成了3D打印的蜂窩狀光學結構和半球形的全固態高密度鈣鈦礦納米線（PNA）光電探測器陣列。這種無透鏡的針孔結構（PHA）可以根據底層圖像傳感器的需求，設計制備出任意布局。該團隊通過對比光學模擬和成像結果驗證了該視覺系統的關鍵特性和功能，包括超寬視場、精準的目標定位和運動跟蹤能力。該團隊進一步演示了PHCE系統在無人機上的功能集成，使其能夠跟蹤地面上的四足機器人。這種獨特的空中-地面協作機器人互動展示了PHCE系統在未來多機器人協作和機器人群技術開發中的潛在應用前景。

相關工作以“An ultrawide field-of-view pinhole compound eye using hemispherical nanowire array for robot vision”為題發表于國際頂級學術期刊《Science Robotics》，并當選當月封面文章。香港科技大學電子與計算機工程系博士后周宇、孫梽博和博士研究生丁宇宬為文章共同第一作者，香港科技大學電子與計算機工程系講席教授范智勇為文章通訊作者。該工作得到了香港研究資助局項目、粵港澳聯合實驗室項目、科學探索獎以及中銀香港科技創新獎的大力支持。

圖1. PHCE及其集成組件的示意圖和圖像。(A)PHCE整體結構示意圖。(B)PHCE系統的剖視圖。(C)半球形多孔氧化鋁膜中鈣鈦礦納米線的橫截面電鏡圖像和宏觀照片。(D)強盜蠅眼的宏觀照片。(E)安裝在印刷電路板上的PHCE系統的側視照片。(F)相鄰針孔單元的橫截面示意圖。(G) 不同小眼間角下針孔像素數量與整體視場角的相對關系。(H)單個針孔和針孔陣列角度依賴的歸一化強度分布。

要點：研究者受到昆蟲（例如強盜蠅）復眼獨特幾何結構的啟發，設計了蜂窩狀的針孔陣列，通過光學計算和模擬仿真優化了有限像素數下的接受角Δφ、小眼間角ΔΦ，確定了對應針孔的最佳長度直徑比，可以消除相鄰小眼之間的盲區并減少光效率損失。研究者使用摩方精密面投影微立體（PμSL）光刻3D打印技術（nanoArch? P140，精度：10 μm）制備了對應幾何參數的針孔陣列，并與半球殼的凸面共形，原料為光敏樹脂。由于高打印自由度和簡化的結構，上述針孔陣列的參數可以很好地設計和協調，以滿足對應圖像傳感器的需求。

要點：鈣鈦礦納米線是在氧化鋁納米通道內以鉛納米線作為前驅體之一生長的，未完全消耗的鉛與鈣鈦礦形成接觸，在除去基底后，通過熱蒸鍍的方式制備凹球面的銦電極，研究者使用PμSL 3D打印技術制備了與半球殼凹面共形的掩膜版。氧化鋁多孔結構為鈣鈦礦材料提供了天然的封裝，提高了器件的工作性能。通過調節鈣鈦礦中的鹵素和金屬元素，PNA光電探測器感測區域可以從可見拓展到近紅外。在弱光下，探測器的響應度可達到2.9 A/W，隨著光照強度的增加，光電流增加而響應度減小。此外，未封裝的器件在常規環境中存放 10 個月后，仍保持超過80%的原始光電流數值。

《Nature》：可注射超聲傳感器用于顱內生理信號監測
2024年6月，華中科技大學臧劍鋒教授、姜曉兵教授以及新加坡南洋理工大學陳曉東教授團隊攜手合作，研發出一種創新型可注射超聲凝膠傳感器，有望克服傳統有線傳感器存在的感染風險和術后并發癥等問題，同時避免現有無線電子傳感器體積過大、無法體內降解等臨床應用挑戰。相關研究成果以"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"為題在線發表于《Nature》雜志。

△"Injectable ultrasonic sensor for wireless monitoring of intracranial signals"

研究背景：
當前，臨床上監測顱內壓等關鍵生理指標的技術，通常需要通過外科手術將有線傳感器植入患者顱內。這種方法存在一定風險，如術后感染和并發癥等。盡管現有的無線電子傳感器能夠在一定程度上降低這些風險，但由于它們的體積較大（例如，傳統電子元件的截面積往往超過1平方厘米），因此不適合通過微創注射方式植入。此外，由于無線電子傳感器不能在體內自然降解，患者還需要進行二次手術來移除它們。

△可注射、可降解的超凝膠超聲傳感器設計原理--基于超聲反射的超凝膠無線顱內生理傳感器示意圖。

研究內容：
●研究團隊設計并制造了一種新型傳感器結構，名為"超聲超凝膠"，是由雙網絡交聯的水凝膠基質和內部周期性排列的空氣孔道組成，體積僅為2×2×2mm3。這種可注射傳感器是研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻(PμSL)3D打印技術(nanoArch? S140，精度：10 μm)加工模具后，經水凝膠翻模制備而成。經過計算機模擬結構優化，該特殊結構在8-10MHz頻段具有聲學帶隙，對入射超聲波有很強的反射能力。凝膠材料均采用生物相容性且可降解材料制成，注射入體約1個月后可自然降解，無需再次開顱取出。

●在大鼠和豬的動物實驗中，這一凝膠傳感系統展現出媲美商用有線臨床設備的檢測精度，且在耗能、無熱效應等方面表現出極大優勢。值得一提的是，在實驗豬體內，它甚至能檢測到微小的呼吸引起的顱內壓力細微波動(約1 mmHg)，而同步植入的有線壓力傳感器則無法監測到如此精細的變化。

《Adv.Mater》：具有高透水透氣性、穩定黏附和長時間耐用性的仿樹蛙腳蹼的可穿戴柔性電極
2024年6月，西安交通大學邵金友、田洪淼團隊提出了一種仿樹蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極，用于生理電信號的長時間連續監測。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch? S130(精度：2μm)高精度3D打印設備加工模具后使用導電復合材料翻模制備而成。相關研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability”發表在《Advanced Materials》上。

研究背景
近年來，隨著生理電信號在輔助醫療、科學訓練及神經科學研究等的領域的不斷深入和廣泛應用，可穿戴柔性電極成為了眾多學者的研究焦點。非侵入式柔性電極能夠將人體內部的離子電信號轉換為電子元器件可讀取的電子信號，成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實現高質量信號的采集、實現不同皮膚狀態下的長時間穩定粘附及提高長時間穿戴舒適性，是阻礙柔性電極應用的研究難點。盡管已有研究團隊提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結構，但仍舊難以實現穩定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機統一。因此，開發一款兼具高透水透氣性和粘附穩定性的柔性電極十分必要。

△設計靈感來源及結構展示——仿生靈感來源&電極結構示意

研究內容
●研究人員設計了一種兼具高透水透氣性、穩定粘附性及長時間耐用性的柔性可穿戴電極。在設計完成電極的微觀結構之后，研究團隊采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術加工了具有良好一致性的樹脂模具，并通過模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極（對比組）。仿生電極相較于對比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍，實現了在干/濕環境下的穩定附著。
●研究團隊還測試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過率，該電極的正向/逆向水蒸氣透過率相較于棉織物提升了近12/6倍，實現了較好的透氣性能。最后，研究團隊采集了多種生理電信號，并對其進行了分析。相較于已報道文獻，本文所提出的仿生電極在機械性能、電學性能及電極性能方面表現出優異的均衡性能。

《Additive Manufacturing》:通過模塊化設計的擠出頭調控纖維內部周期性結構
2024年6月，來自西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調控周期性結構的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結構的 3D 物體。研究成果以“Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads”為題發表在學術期刊《Additive Manufacturing》上。

△Multimaterial extrusion of programmable periodic filament structures via modularly designed extruder heads

研究背景
直接墨水書寫 (DIW) 是一種被廣泛使用的多材料擠出加工方法，在成本效益與材料兼容性等方面具有較大優勢。為了擴展擠出過程中多種材料的可編程性，微流體擠出頭設計已被用于創建多功能纖維結構。然而，由于高分辨率微流道的設計和制造的復雜性，目前擠出頭的結構選擇仍然有限。

△(a):串聯(左)和串并聯擠出頭(右)的照片。(b):定制的四軸打印平臺(左)和在3D打印設備中組裝的擠出頭(右)。比例尺，5 mm (a)。

研究內容
西湖大學工學院周南嘉團隊提出了一種模塊化策略設計擠出頭，利用多材料直寫工藝擠出具有可調控周期性結構的纖維，并用來制造具有空間可編程周期性結構的 3D 物體。不同功能的模塊可以通過串聯，并聯，串并聯等不同的方式進行連接組裝，用來制備具有層狀結構和棋盤結構的多材料纖維。纖維內部的周期性結構可以通過調節工藝參數，模塊的種類數量和尺寸進行控制。通過模塊化平臺策略，極大的簡化了擠出頭設計的難度，提高了具有周期性結構纖維的加工效率。該擠出頭是利用摩方精密nanoArch? P140和S140 高精度DLP 3D打印設備（精度：10μm）一體化成型制造而成。

Nature Communications：超快響應電容型電子皮膚
南方科技大學材料科學與工程系郭傳飛教授、中國科學技術大學近代力學系王柳教授、中國商用飛機有限責任公司陳迎春研究員研究團隊合作開發了一種超快響應的電容型電子皮膚。團隊深入研究了微結構界面的能量耗散對電容型柔性壓力傳感器響應-恢復速度的影響，采用微結構界面的一體化粘接技術，將這類傳感器的頻率帶寬從數百赫茲擴展至至少12500 Hz，該研究為推動電容型柔性壓力傳感器從動態壓力檢測到聲學領域的應用提供了新的思路。

相關成果以“Ultrafast piezocapacitive soft pressure sensors with over 10 kHz bandwidth via bonded microstructured interfaces”為題發表在學術期刊《Nature Communications》上，南方科技大學材料系博士研究生張愿、中國科學院深圳先進技術研究院高級工程師周小猛、中國科學技術大學近代力學系碩士研究生張念為本文的共同第一作者，郭傳飛教授、王柳教授和陳迎春研究員作為共同通訊作者，南方科技大學為該論文的第一通信單位。

通過有限元模擬，研究團隊發現在粘附-脫附過程中微結構界面所能引發的顯著能量耗散的現象，這在一定程度上導致了器件響應速度的下降。針對這一問題，該團隊采用微結構界面的一體化粘接技術，同時結合彈性體-碳納米管的滲流轉變傳感機制，使傳感器在保證較高靈敏度的同時，其響應速度成功提升至12500 Hz水平。團隊采用摩方精密nanoArch? S130（精度：2 μm）3D打印設備，實現了微錐結構模板的高精度打印（直徑：50 μm，高度：40 μm），并結合倒模技術制備了柔性PDMS-CNTs微結構介電層。通過采用摻雜碳納米管降低粘彈性，結合粘接的微結構界面減少界面摩擦能量耗散，實現了傳感器的超快響應（圖1）。

圖1. 具有非粘接和粘接微結構界面的傳感器在加載和卸載過程中的能量損失對比、粘合微結構界面的傳感器的響應-恢復時間

粘合微錐界面可減少在接觸-分離過程中的能量耗散，從而提高傳感器的響應和恢復速度。研究團隊通過有限元模擬進一步研究了微錐結構對響應和恢復時間的影響。通過調整微錐結構的三個重要參數：高度H、初始接觸面積A0以及直徑D，研究了不同參數的微錐結構對響應和回復時間的影響，從而實現了低能量耗散、高靈敏度和高機械穩定性的平衡。

微納級3D打印發展
微納級3D打印是一種高精度的制造技術，利用高精度的材料成型技術，結合計算機輔助設計和數字化模型，可以實現微小物體和微結構的精確打印，被廣泛應用于微電子、微機械、微光學等領域。微納級3D打印也是目前全球先進制造熱點之一，因為隨著光學、醫療、電子等應用領域的器件微型化、功能化和集成化的發展趨勢，越來越多的器件的核心設計都依賴于3D復雜微納結構。

目前能實現納米級制造（加工），并已經商業化或正在商業化技術路徑的大類包括深紫外光刻、納米壓印、電子束加工（電能最終轉化為熱能）、離子束加工（電能轉化為動能，離子刻蝕、離子鍍膜和離子注入。微納 3D 打印這一大類別的技術在復雜3D微納結構、高深寬比微納結構以及復合材料3D微納結構制造方面都具有很大的潛能和突出優勢，而且還具有設備簡單、效率高、用材廣泛、無需掩模或模具直接成型等優點。