凭借其个性化定制的优势，3D生物打印受到了组织工程研究人员的广泛关注。生物墨水在打印过程中起着保护细胞，并在打印后提供促进细胞生长和组织再生的支架的作用。此外，不同的3D生物打印方法需要具有不同特性的生物墨水。然而目前用于3D生物打印的生物墨水是不足的，这限制了3D生物打印在组织工程中的应用。另一方面，细菌感染严重威胁着3D生物打印及后续组织工程技术的实现，并可能导致移植物植入失败和术后严重并发症。因此，引入一种具有固有抗菌特性的新型生物墨水用于组织工程，将促进3D生物打印在组织工程中的发展。近日，湖南大学刘海蓉教授课题组提出了一种新型可用于3D生物打印的抗菌ε-聚赖氨酸衍生生物墨水。体外抗菌实验表明，基于ε-聚赖氨酸的水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有较强抗菌性能。通过使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S140, 摩方精密），该研究成功打印了不同形状的高保真载软骨细胞水凝胶。在体内异位成软骨实验中，载细胞水凝胶经过4周培养形成了软骨样组织。总的来说，此项研究提出了一种很有前景的3D生物打印抗菌生物墨水，为3D生物打印在组织工程中的应用提供了一个新的选择。相关论文在线发表在《Journal of  Materials Chemistry B》，湖南大学何亚辉为本文第一作者，刘海蓉、周征为通讯作者，韩晓筱课题组为本文3D生物打印提供了支持。图1 (a)EPLGMA-H水凝胶制备工艺示意图。(b)EPLGMA-1、EPLGMA-2和EPLGMA-3在D2O中的1H NMR谱。(c)蓝光照射后的EPLGMAs凝胶化照片。(d)EPLGMA-H凝胶过程的动态实时流变学分析。图2 大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别与PBS、EPLGMA-1H、EPLGMA-2H、EPLGMA-3H共混后的(a)生长情况，(b)细菌存活率，(c)活/死细菌染色照片。图3 (a-c)3D生物打印制备的细胞负载EPLGMA-3H的3种不同形状的俯视图。(d-i)3D生物打印载细胞EPLGMA-3H培养3天后的活细胞照片，(g-i)分别为(d-f)的放大照片。

3月7日，日本驻上海总领事馆赤松秀一总领事・大使一行到摩方精密（深圳）进行参观访问，摩方精密日本分公司总经理何军对此表示热烈欢迎。赤松秀一一行首先深入了解了摩方精密的发展历程及科研成果，并对面投影微立体光刻（PμSL）技术的应用及发展等方面进行了深刻的探讨。 随后，赤松秀一一行参观了摩方精密的设备生产车间和精密样件，3D打印设备在此展现出来的能力让参观者们的印象十分深刻。赤松秀一总领事、大使在参观超高精密样品时，对摩方精密的微纳3D打印技术能制造出这么小的精密零件感到非常惊讶，多次感叹摩方精密的技术能力果然是百闻不如一见。与此同时，摩方精密（深圳）日本事业部负责人陆俊辉对于摩方精密正在进行的、利用特有3D打印技术来量产终端产品的项目进行了详细讲解，赤松先生表示更加期待。通过此次访问交流，赤松秀一一行对摩方精密的技术和产品有了更全面、更深入的了解，同时也期待摩方精密可以继续发挥其优势，进一步加强科研、精密电子、医疗等领域合作的深度和广度，为应用产品创造更多的可能性，实现更大的进步。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

2D 片材的 3D 构造是石墨烯用于大规模工业应用的关键。增材制造的逐层方法为制造具有出色机械灵活性的 3D 石墨烯结构提供了高度的设计自由度。然而，由于光固化特性对光吸收的要求，DLP技术只能打印出有限的材料(通常是聚合物)。以向工业化生产更进一步为目标，用环保的三维金属模板代替陶瓷模板，制备层次更高、弹性极佳的可定制石墨烯泡沫材料，是目前的一大研究方向。西工大黄维院士、官操教授团队在此开发了一种通过 3D 打印模板和模板导向化学气相沉积方法展制造了具有优异机械和功能特性的3D氮掺杂石墨烯 (NG) 泡沫。由相互连接的石墨烯片网络组成的超弹性泡沫可以从高达自身重量 62500 倍的载荷下实现几乎完全的应变恢复，在 9.5 mg cm-3的低密度下具有非凡的损伤容限。载流子的快速传输 (5 S cm −1) 突出了 NG 泡沫在各种功能性应用中的潜力。从 −196 到 300 °C 观察到的温度不变的可逆弹性进一步强调了它在苛刻环境中的使用价值。该论文以"Digitization of Free-Shapable Graphene Foam with Damage Tolerance"为题在Advanced Functional Materials杂志上发表了论文3D打印金属模板和多层3D NG泡沫在这项工作中，过渡金属(Ni, Co, Cu和Fe)基盐都被证明是中空3D石墨烯泡沫CVD的可行和可持续的模板(图1)。总体而言，由于金属与高分子基体折射率不相容以及紫外线照射与金属/金属氧化物颗粒的高衰减效应，DLP技术在金属印刷中的应用长期受到限制。而作者提出了一种使用折射率匹配的可打印金属前驱体(用于光固化聚合物)的开发方法，可在UV光固化浆料中实现高固体负载。图1a显示了通过DLP方法成功制备具有陀螺结构的金属盐前驱体。经过简单的配体去除和还原过程，得到了保存良好的分层多孔金属(图1a)。合理设计打印条件后，可有效获得复杂的三维金属盐和具有回转原始结构的多孔金属，显示了DLP衍生金属的巨大可行性。这种具有设计良好的结构和大表面积的3D打印多孔金属泡沫在许多能源和环境相关的应用中是可取的。图1三维金属模板和三维NG泡沫的表征制备好的3D打印多孔金属进一步用作CVD工艺的模板(也是催化剂)，在此过程中，氮掺杂石墨烯沉积在整个多孔金属模板中，同时保持多孔结构。稀酸蚀刻金属后，层数较少的NG能很好地附着在三维金属网络上而不分层，且能保持相似的微观结构和孔隙分布，过渡金属Ni、Co和Fe促进了多层石墨烯的生长。优化后的3D NG泡沫密度约为9.5 mg cm−3，具有高度亲水性，初始接触角为33.9°，瞬间湿润5 s，比商用碳布和泡沫镍亲水性更好。此外，该工作制备的金属盐易于回收再利用对环境友好，回收的金属盐油墨保持稳定的光敏特性，连续印刷所用的盐料经过3次回收处理后，回收率达到99%。具有三维弹性和应变敏感性的NG泡沫图2 具有三维弹性的多孔NG泡沫的演示损伤容限的有限元建模与现场观察3D打印技术首先为的NG泡沫提供了出色的设计自由度。通过将超材料(如负泊松比结构与陀螺支柱)集成，获得了具有三个方向自由成形能力的特殊NG泡沫(GN foam)。它进一步显示了建造具有前所未有性能的独特结构的巨大潜力，此外三维NG泡沫还展现出了可重复且完全恢复的弹性变形。在应变达到80%之前，没有明显的性能衰减。其杨氏模量远高于已报道的弹性碳材料(图3b)，能量损失系数也是先前报道的石墨烯基材料中最好的(图3c)。除了超弹性，分层3D NG泡沫还显示出5 S cm−1的高导电性，高于许多文献文献(图3D)。此外，高孔隙率和固有弹性石墨烯的结合使应用于应变传感器成为可能，NG泡沫在0 ~ 6.69 kPa压力范围内的线性灵敏度为2.46 kPa−1，表明压力和电流输出之间存在稳定的线性关系。数字化使压力传感器在宽应力区域具有高线性度和灵敏度，并具有无限的设计自由度。此外，该应变传感器在0.1 kPa的小工作应变下，可以在5000个循环后持续工作而无明显变化，表现出超高的电流响应稳定性(图3f)。图3三维NG泡沫的力学性能和压敏性多功能NG泡沫的大规模生产与应用如图2d所示，这样的NG泡沫可以承受自重的62 500倍而不破裂，完全可以移除重物后恢复到原来的状态。作者认为在进一步扩大弹性应变区域的贡献中，结构层次和元胞结构可以最大限度地利用NG泡沫的超高弹性可以通过以下几种独特组合实现:(1)三维宏观空心结构有效降低局部应变;(2)粘结牢固的组织能够承受极大的压缩变形。为了更好地理解这种特殊的弹性，采用多尺度有限元计算揭示了多层共价键合三维NG空心泡沫的力学性能(图4a-c)。为了进行比较，还对由石墨烯薄片组成的石墨烯泡沫(无空心结构)进行了建模和计算(图4b)。结果表明最初结合的石墨烯薄片的分离将导致整体宏观结构的破坏，失去可压缩性和弹性。相比之下，通过微观开口的关闭和管状结构的旋转运动，由牢固的共价键碳网络组成的中空NG泡沫在微观层面上表现出应力释放能力(图4c)。如图4d-k所示，在压缩作用下，宏观开口和微观开口均关闭，微观区域未观察到界面损伤，说明管状结构的旋转运动有效地缓解了施加的变形。去除压缩力后，宏观开口和微观开口都完全恢复到初始状态，进一步证实了三维分层NG泡沫的超弹性。图4 三维NG泡沫的分级有限元建模与力学性能研究。作者还证明了超弹性NG泡沫具有良好的量产潜力，具有良好的设计自由度和满意的电化学性能。流场模拟验证了CVD生长过程中三维结构的均匀性(图5b)。从连通通道内气体流速的结果可以看出，气体在整个结构中的分布是最优的，在多孔结构壁面附近气体流速较慢，说明CVD过程将逐步而均匀地进行。相反，通道中间的气体流速加快，使得反应气体能够有效地向前输送。并且在300℃下显示高温机械性能。此外，这种具有分层多孔结构、优异力学性能和导电性的3D NG泡沫也可以在压缩条件下应用于超级电容器和电池。基于py-ncnt /NG的准固态对称超级电容器在功率密度为0.6时实现了0.272 mWh cm−2的高面能量密度，在9.6 mW cm−2时实现了0.156 mWh cm−2，突出了3D NG泡沫在柔性储能方面的出色前景。图5 NG泡沫的应用及规模化生产总结：该工作这使得石墨烯泡沫的电气、电化学和工程应用进入实际应用，并将允许多功能石墨烯泡沫集成到极端条件下的先进多材料架构中。来源：高分子科学前沿

2022年3月，重庆摩方精密科技有限公司正式入驻位于深圳市龙华区观光路银星科技园的新办公地，标志着摩方精密继红山科技创新中心、锦绣科学园之后，又一生产基地的盛大启用。始创于2016年的重庆摩方精密科技有限公司，是全球微纳3D打印领域的先行者和领导者，作为微纳3D打印技术和精密加工解决方案的资深提供商，公司始终致力于三维复杂结构微加工技术领域的深度探索。拥有二十余年科研及工程实践经验的摩方创新团队，不仅在短短几年的时间内，就积累了包括发明专利、实用新型、外观设计、国际专利和软件著作权在内的77项自主知识产权，也为来自全球30多个国家超过一千个客户提供了满意的微纳3D打印技术方案。摩方精密发展的步伐，一步一个脚印。现深圳分公司已拥有三条核心生产线和三大实验室，红山科技创新中心总面积1400平方米，其中设备生产区域400平米，能够同时满足40台设备的生产调试需要；银星科技园基地总面积1300平米，其中设备生产面积200平方米，能够同时进行15台设备的生产调试，打印服务区生产面积400平方米，可容纳45台打印设备；锦绣科学园，总面积1250平方米，为材料研发生产基地。这些都为公司进一步提升研发和生产能力，提供了强有力的保障。银星科技园打印服务场地的启用，也让公司的发展迈上新的台阶，摩方精密将不断开辟新疆土、开创新局面，实现公司全面可持续发展！摩方精密，将为每位客户提供优质的服务，打印中心已全面升级，以全新的姿态，静候您的光临！

自然界的树木依靠其独特的根茎系统，可以从很深的土壤里吸取水分，利用毛细力向上运输到叶片中进行光合作用（图1a）。受此启发，湖南大学王兆龙副教授、段辉高教授与东南大学陈永平教授、北京理工大学孔慧副研究员及上海交通大学郑平院士合作，在《Solar RRL》期刊上发表了题为“3D printed bionic solar evaporator”的文章。该文章利用面投影微立体光刻技术（nanoArch P140，摩方精密）制备了仿生微通道及水凝胶蒸发器样品。在经过处理后，形成了富含碳纳米颗粒的多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合蒸发器结构。在毛细力的作用下，液体会从微通道底部输运到水凝胶网络中，在太阳光的照射下水凝胶在碳纳米颗粒的光热作用下迅速升温而将水快速蒸发，最终实现太阳能蒸发器吸水和蒸发的动态平衡。图1 一种仿生太阳能蒸发器。（a）树木吸水及蒸腾作用。（b）多孔水凝胶网络结构及仿生微通道的复合太阳能蒸发器结构。 具体的加工过程如图2a-b所示，水凝胶蒸发器结构由NIPAAm（聚-N-异丙基丙烯酰胺）与AAm（丙烯酰胺）单体聚合而成，在碳纳米颗粒的修饰下即可实现对太阳能的吸收。水凝胶蒸发器的形貌如图2c所示，内部凝胶网络的孔径为30微米左右，网络上附有一层致密的碳纳米颗粒，颗粒尺寸为20-30纳米左右。图2 加工过程及形貌表征。（a）水凝胶蒸发器加工过程。（b）微通道加工过程。（c）水凝胶表面形貌及碳纳米颗粒形貌。（d）微通道形状结构。基于仿生太阳能蒸发器优秀的蒸发性能与液体输运能力，研究人员将其应用在污水降解及海水淡化等应用中去。如图3a所示，污水中的一些大分子颗粒等污染物质会被水凝胶网络吸附，从而达成污水净化的目的。研究人员主要对有机染剂、酸碱以及重金属离子等污染物进行降解研究，对降解前后污染物的浓度进行对比。研究结果如图3b-d所示，仿生太阳能蒸发器对有机染剂的净化效率高达94%，能将酸碱全部过滤掉，对重金属颗粒的净化效果更是高达99.99%。除此之外，研究人员还对该太阳能蒸发器的稳定性进行了探究，如图3e所示，经过连续十四天的连续使用，仍能保持4.12kg/m2 h的蒸发速率以及92.5%的太阳能利用效率，证明了该蒸发器的稳定性。图3 太阳能蒸发器应用。（a）水凝胶网络的净化与过滤能力。（b）对有机染剂的净化效果。（c）对酸碱的净化效果。（d）对重金属离子的净化效果。（e）太阳能蒸发器的稳定性。该项研究成果获得国家自然科学基金委，湖南省优秀青年基金，广东省重大专项及国防科工局民用航天项目等研究项目支持。 

中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。应用3D打印定制的针对不同氧化石墨烯墨水的狭缝挤出头，并在墨水中加入叔丁醇，抑制冰晶生长，最后应用定制挤出头3D打印制备得到层状石墨烯气凝胶，实现相比同类材料更高的电导率和电磁屏蔽性能，以及高灵敏压阻传感性能。图1 3D打印层状石墨烯气凝胶及其电磁屏蔽和压力传感特性 二维材料气凝胶因其在电磁屏蔽、传感器、柔性器件、超级电容器及油污吸附等方面的应用吸引了人们广泛的研究兴趣。由于二维材料本身的各向异性特性，相比各向同性结构，层状二维材料气凝胶在特定方向展示出优异的机械、电子、热性能。然而，目前制备层状结构二维材料气凝胶的方法较少，比较常用的是定向冷冻方法，但该制备方法在尺寸和形状上尚缺乏自由度，在性能上也仍有提升的空间。同时由于，二维材料分散液具有剪切变稀的特性，在剪切力的作用下，可以实现液晶形态的取向分布，如果能充分利用这一特性，将有望通过挤出装置实现取向结构二维材料气凝胶的制备，从而提升样品制备的自由度，并进一步提升材料性能。中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人针对这一问题，提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。为充分利用氧化石墨烯墨水的剪切变稀特性，研究团队根据不用配方墨水的剪切变稀特性定制设计并应用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印机制备了可使对应氧化石墨烯墨水实现长程有序液晶形态的狭缝挤出头，狭缝尺寸50 μm，应用该挤出头在冷冻衬底上逐层3D打印相对应墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷冻衬底上结晶生成大尺寸冰晶，这将破坏狭缝挤出氧化石墨烯的液晶形态，为解决这一问题，团队通过调节叔丁醇在墨水中的含量，减小了冷冻衬底上冰晶生长的尺寸，从而降低了冷冻过程对于取向结构的破坏，最终通过冷冻干燥和化学还原实现了层状结构石墨烯气凝胶的制备。图2 根据墨水的流变性能设计并打印挤出头 研究显示，通过3D打印新策略制备的石墨烯气凝胶的层状结构清晰。得益于该层状结构，本研究3D打印的石墨烯气凝胶展示出比同类石墨烯气凝胶更高的电导率（705.6 S m−1）、更高的电磁屏蔽性能（3 mm样品在X波段可实现最高电磁屏蔽能效68.75 dB），并可实现高灵敏的压阻传感性能（清晰的语音和脉搏信号传感分辨能力）。图3 通过墨水配方调控获得良好层状结构的石墨烯气凝胶图4 3D打印层状石墨烯气凝胶的电导率和电磁屏蔽性能图5 3D打印层状石墨烯气凝胶的力学和传感性能    研究者相信，此项研究将为具有剪切变稀性能的材料制备层状取向结构材料提供一条新的路径，为纳米材料通过3D打印有序可控组装并实现更高的性能提供一个新的思路。相关论文在线发表在《Advanced Materials Technologies》上。苏州纳米所郭浩为本文第一作者，钱波为本文通讯作者，苏州大学石学军为本文的软件模拟提供了支持。 官网：https://www.bmftec.cn/links/10

在文学影视作品中常有“返老还童”之类的奇思妙想。比如经典奇幻电影《本杰明巴顿奇事》中，男主角本杰明巴顿出生时就有着80岁暮年老人的老态龙钟，但神奇的是，随着岁月的推移，他却逐渐变得年轻，最终回到婴儿形态。这种“逆生长”的能力对于人类来说也许就像神话和电影一样遥不可及，但是在神奇的大自然中却真的存在一种可以逆生长的生物——灯塔水母(图1a)。这种水母在适宜的生存环境中会遵循自然的生长过程，逐渐从卵生长至水螅体，最终达到成熟的可以自由移动的水母形态。但是当环境不适合生存时，比如食物短缺，它们会退化至其不成熟的水螅体形态，当环境再次适宜时，它们又会重新生长为水母形态。受此启发，浙大谢涛、郑宁团队设想，能否通过化学设计，实现聚合物材料的生长和逆生长呢？为了进一步模仿生物的复杂几何形状，研究团队基于3D打印，利用可逆网络生长的化学机理，提出了“可再生活性4D打印”的概念(图1b)。其中，将“可再生”定义为可以进行循环的生长和逆生长。该工作近期以“Regenerative Living 4D Printing via Reversible Growth of Polymer Networks” 为题发表在Advanced Materials上，文章第一作者为组内硕士许小娜和博士方子正。图1  a) 灯塔水母的生命循环 b) 可再生活性4D打印的概念示意图【化学机理】研究团队设计了一种基于巯-烯点击化学的光固化树脂（图2），并将其应用于数字光3D打印（DLP），打印的网络侧边悬挂有羟基。羟基在一般情况保持稳定，但当暴露于𝓔-己内酯单体中时，在催化剂的作用下，羟基会引发己内酯的开环聚合反应，从而侧羟基逐渐生长为聚己内酯（PCL）长链，初始打印的网络拓扑结构逐渐转变为瓶刷状。这个过程就如同植物吸收外在养分生长一样，己内酯单体就是该材料的“养分”。之后，将生长后的材料再次暴露于另一种胺类单体中，其活泼氢会进攻PCL长链中的酯键，从而使得生长的PCL长链从网络中脱离出来，网络回复至初始状态，实现逆生长。在体系的化学设计方面，研究团队巧妙地将生长完全限制在侧链上进行，以保护材料的主体结构，确保逆生长之后材料可以完全回复到初始状态。图2  可再生活性4D打印的化学机理那么，这种生长和逆生长的能力为材料带来了什么呢？显然，生长自然伴随着体积膨胀，而逆生长过程中体积收缩。同时，在这一过程中，网络的化学组成和拓扑结构发生变化，因此材料的性质也随之改变，并且研究者们发现这种体积和性质的改变可以由生长和逆生长的时间决定。【动力学研究】研究团队首先使用二维的平面薄膜对生长和逆生长的动力学（图3a）进行了探究，生长动力学结果显示，在特定的实验条件下，以增加的质量分数为度量，材料的生长随时间呈线性变化，这与己内酯开环聚合反应的活性聚合本质一致。60 min后，质量增加8倍，材料体积也相应膨胀至8倍左右。与线性生长不同，逆生长过程中，材料质量呈现出幂级减小的趋势，且减小速度大于生长过程的增加速度。这是因为生长过程中己内酯单体的聚合只发生在链末端，而逆生长过程中正丁胺中的活泼氢可以进攻PCL中任意位置的酯键。最终，30 min之后，材料基本恢复至初始状态。经历一个完整生长/逆生长循环之后，由于羟基仍然悬挂于网络侧端，材料可以再次进行下一个循环。经过5次循环（图3b）之后，材料依旧具有良好的稳定性。需要强调的是，从理论上来说，这种生长是没有限制的，只要己内酯单体一直存在，催化剂一直具有活性，那么生长就可以持续进行下去。但是在实际情况下，由于生长使体积膨胀，但网络的主链骨架不变，那么当膨胀到一定程度之后，材料容易断裂，因此为保证材料的完整性，生长需要控制在适宜范围之内。图3  a) 生长/逆生长动力学b) 生长/逆生长循环【性质变化研究】除了体积膨胀之外，生长和逆生长也使得材料的性质发生变化。首先，生长在网络侧边的结晶性PCL链使材料从无定形转变成结晶性材料（图4a）。并且，随着时间的增加，PCL链越来越长，材料的结晶性能也逐渐增强，具体表现为结晶温度和结晶度逐渐增加。而在逆生长过程中，结晶性的PCL链逐渐从网络中脱离出来，又使得材料逐渐恢复至最初的无定形态。伴随着结晶性能的改变，材料的力学性能也随之改变（图4b）。生长60 min后，室温条件下，材料的模量增长至208 MPa，相较于初始的0.6 MPa增加了近两个数量级。而在逆生长后，模量再次恢复。图4  a) 结晶性能变化b) 机械性能变化【可再生活性4D打印】利用二维薄膜研究了动力学和体积性质变化之后，研究者们将这一机理进一步应用到了3D打印之中，实现了预想的可再生活性4D打印的目标理念。如图5a所示，研究者们实现了多种复杂的几何结构体的生长，如各种晶格结构、皇冠结构以及树型结构。生长之后，材料在维持良好的形状保真性的同时发生明显的均质体积膨胀，并且可以看出，材料从透明变成白色，这也说明了材料从橡胶态转变为结晶态（室温条件下的状态）。同时，结晶性赋予材料良好的形状记忆性能（图5b），这更增加了材料的功能性。进一步地，不同于整体生长带来的均质体积膨胀，区域化控制的生长可以使材料的几何结构发生变化，并且使单一材料转变为多材料。如图5c所示，镂空的圆筒形状在控制仅两端生长之后，两端发生体积膨胀且转变成结晶材料，而中间部分保持不变。之后，经过逆生长，材料恢复至初始具有圆筒形状的单材料。在第二次生长循环中，控制圆筒的左或右半区域生长，材料生长成为另外一种形状不同的多材料。这意味着，利用这种生长和逆生长的机理，结合时间和空间控制，可以从一个3D打印物体得到多种不同的衍生物。图5  可再生活性4D打印【总结】本文通过化学设计，利用可逆网络生长的化学机理，提出了“可再生活性4D打印”的概念。这种方法使得3D打印材料在打印完成之后依然具有良好的可调节性，包括形状、尺寸以及性质，其重复可用的性质和时空控制的方法提高了3D打印材料的利用率，是3D打印和4D打印领域的一种新尝试。摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（PμSL）技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。

Omnetics Connector公司坐落于美国明尼苏达州，是一家专注于微型电子连接器设计和制造的资深企业。作为微型连接器行业的领军企业，该公司拥有国际一流水准的实验中心，长期以来始终为全球客户提供着可靠的技术和产品。摩方精密为该公司提供了高精度的3D打印解决方案，获得其高度认可。与此同时，双方已达成进一步开展长期合作的意向。 近期，Omnetics Connector公司在为其客户设计混合连接器解决方案时，遇到了前所未有的难题。客户提出的技术需求，需要同时兼顾强度、尺寸、技术参数、可靠性等各个方面的超高要求。Omnetics Connector公司的产品工程师Eric Bergquist表示，此项目在设计过程中需要一个超小尺寸的塑料绝缘体且易于封装的零件，他一直在寻找一种满足±50微米公差的高精度解决方案，为此联系众多合作商，但都未能解决。 就在他们一筹莫展的时候，Omnetics Connector公司接触到了摩方精密。虽然对摩方的技术实力有一些了解，但由于此次技术方案的难度过高，Omnetics Connector公司还是抱着试试看的态度，提出由摩方先生产10对零件样品进行测试。仅仅两周的时间内，摩方精密就给出了让对方满意的答案，凭借超高精度3D打印面投影微立体光刻技术（PμSL: Projection Micro Stereolithography）打印的这批样品，完全符合Omnetics Connector公司的整体设计要求，不但符合图纸公差，而且坚固可靠，能够在压膜封装时确保零件无损。也正是基于摩方精密的这份产品保障，才使Omnetics Connector公司能够按期顺利交付项目。工程师Eric Bergquist称“摩方精密的PµSL技术使Omnetics Connector公司能够快速获得高精密微型电子连接器，不到两周的工期明显短于机加工的交货时间。这使我们能够在非常紧迫的期限内为重要客户提供功能样品。”随后Omnetics Connector公司也表示了后续与摩方精密开展长期合作的意向。这次合作，不但充分展示了摩方精密的技术水平和团队实力，也为摩方获得了优秀公司的认可和尊重，摩方精密将以此次为契机，继续为连接器行业做出更大的贡献。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。应用3D打印定制的针对不同氧化石墨烯墨水的狭缝挤出头，并在墨水中加入叔丁醇，抑制冰晶生长，最后应用定制挤出头3D打印制备得到层状石墨烯气凝胶，实现相比同类材料更高的电导率和电磁屏蔽性能，以及高灵敏压阻传感性能。图1 3D打印层状石墨烯气凝胶及其电磁屏蔽和压力传感特性 二维材料气凝胶因其在电磁屏蔽、传感器、柔性器件、超级电容器及油污吸附等方面的应用吸引了人们广泛的研究兴趣。由于二维材料本身的各向异性特性，相比各向同性结构，层状二维材料气凝胶在特定方向展示出优异的机械、电子、热性能。然而，目前制备层状结构二维材料气凝胶的方法较少，比较常用的是定向冷冻方法，但该制备方法在尺寸和形状上尚缺乏自由度，在性能上也仍有提升的空间。同时由于，二维材料分散液具有剪切变稀的特性，在剪切力的作用下，可以实现液晶形态的取向分布，如果能充分利用这一特性，将有望通过挤出装置实现取向结构二维材料气凝胶的制备，从而提升样品制备的自由度，并进一步提升材料性能。中科院苏州纳米所钱波团队的郭浩等人针对这一问题，提出一种3D打印层状石墨烯气凝胶的新策略。为充分利用氧化石墨烯墨水的剪切变稀特性，研究团队根据不用配方墨水的剪切变稀特性定制设计并应用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印机制备了可使对应氧化石墨烯墨水实现长程有序液晶形态的狭缝挤出头，狭缝尺寸50 μm，应用该挤出头在冷冻衬底上逐层3D打印相对应墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷冻衬底上结晶生成大尺寸冰晶，这将破坏狭缝挤出氧化石墨烯的液晶形态，为解决这一问题，团队通过调节叔丁醇在墨水中的含量，减小了冷冻衬底上冰晶生长的尺寸，从而降低了冷冻过程对于取向结构的破坏，最终通过冷冻干燥和化学还原实现了层状结构石墨烯气凝胶的制备。图2 根据墨水的流变性能设计并打印挤出头 研究显示，通过3D打印新策略制备的石墨烯气凝胶的层状结构清晰。得益于该层状结构，本研究3D打印的石墨烯气凝胶展示出比同类石墨烯气凝胶更高的电导率（705.6 S m−1）、更高的电磁屏蔽性能（3 mm样品在X波段可实现最高电磁屏蔽能效68.75 dB），并可实现高灵敏的压阻传感性能（清晰的语音和脉搏信号传感分辨能力）。图3 通过墨水配方调控获得良好层状结构的石墨烯气凝胶图4 3D打印层状石墨烯气凝胶的电导率和电磁屏蔽性能图5 3D打印层状石墨烯气凝胶的力学和传感性能    研究者相信，此项研究将为具有剪切变稀性能的材料制备层状取向结构材料提供一条新的路径，为纳米材料通过3D打印有序可控组装并实现更高的性能提供一个新的思路。相关论文在线发表在《Advanced Materials Technologies》上。苏州纳米所郭浩为本文第一作者，钱波为本文通讯作者，苏州大学石学军为本文的软件模拟提供了支持。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

近日，美国加州德安扎大学设计与制造技术学院的Corey Dunsky教授课题组，使用摩方精密microArch S240 3D打印设备成功打印出摩托车仿真链条。日前，该教授课题组有一个微型摩托车模型制造项目，此摩托车原型诞生于1969年，曾经获得诸多比赛冠军殊荣，在当时也备受关注，被称为巴哈入侵者。CoreyDunsky教授表示，这台仿真摩托车链条作为该项目的关键部件，精度要求非常严苛，而摩方精密可以满足该技术要求。链条中运动部件之间的间隙公差控制可以在±5 μm之间，并且仿真效果极高，链条功能齐全。CoreyDunsky教授也认为摩方精密在精密增材制造领域可以为许多微尺度研究项目提供简易高效解决方案。他对摩方精密给予了高度认可和赞扬。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

内容简介本研究论文聚焦微生物的快速药敏检测研究。抗生素耐药是目前全球公共卫生安全面临的一项严峻挑战。病原菌的耐药性加速进化增加了临床治疗多重耐药感染的用药难度与病人死亡率。及时得到微生物的抗生素药物敏感性结果对于临床多重耐药感染的精准诊断与用药治疗具有重要意义。这项研究中设计了基于流阻的微液滴芯片，结合应用刃天青生物指示剂可在5 h内指示微生物在不同浓度抗生素下的生长。该芯片有若干独立的截留腔室，可自动产生抗生素浓度梯度并形成独立的微液滴用于检测细菌药敏性。该芯片简化了控制操作和设备集成，相较于传统方法缩短了药敏检测时间，具有良好的应用前景。引用本文Zhang H, Yao Y, Hui Y, et al., 2022. A 3D-printed microfluidic gradient concentration chip for rapid antibiotic-susceptibility testing. Bio-des Manuf 5(1):210–219. https://doi.org/10.1007/s42242-021-00173-0文章导读图1 用于细菌抗生素药物敏感性检测的浓度梯度微流控芯片的设计与应用示意图：（a）芯片的制造流程；（b）芯片内产生梯度浓度的过程。其中芯片模具是用摩方精密nanoArch S140制备。图2 不同浓度刃天青的显色荧光显色效果：（a）除去阴性对照后的相对荧光强度；（b）阳性对照和阴性对照的荧光显色图图3 三种不同浓度抗生素对大肠杆菌生长的影响来源：生物设计与制造BDM

通过合理设计重复结构单元，超材料可以来实现天然或者化学合成材料所不具备的独特物理特性（机械、电磁、声学等），吸引了研究人员的广泛关注。虽然先进的3D打印技术可以实现超材料复杂结构的快速精确制备，实现其特殊的物理特性，但是传统的3D打印材料主要是聚合物，陶瓷等，这大大限制了超材料的应用前景。而石墨烯由于其优异的理化性质，可以作为超材料的组分材料，赋予超材料多功能性和广阔的应用前景。最近，西北工业大学的官操课题组等人在国际期刊《Small》杂志上发表题为“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain”的综述文章。从超材料的结构设计、3D打印石墨烯的策略以及应用等方面，回顾了3D打印石墨烯基超材料的最新进展。最后，展望了3D打印石墨烯超材料的发展机遇与挑战。文章要点：1.综述了3D打印石墨烯基超材料的最近进展。2.介绍了不同类型超材料的结构设计，包括机械超材料，电磁超材料（人造和仿生），声学超材料（主动和被动），主要关注点是结构设计对不同物理性能的影响，而不考虑组成材料的因素。3.介绍了3D打印技术制备石墨烯基材料的方法，主要是墨水直写技术，熔融沉积成型技术，光聚合技术。墨水直接技术制备3D石墨烯材料主要策略是（1）提高石墨烯的浓度，（2）添加剂调节流变性能，（3）石墨烯片间交联（物理、化学），（4）间接法。熔融沉积成型技术主要是在石墨烯添加各种热塑性材料（聚乳酸，共聚物ABS，聚碳酸酯等），使其在高温下熔融流动。光聚合技术制备3D石墨烯材料主要策略是（1）石墨烯填料法，（2）热解法，（3）模板辅助法。4.介绍了3D打印石墨烯基超材料在电化学储能器件（电池和超电容），响应器件，电磁波吸收器等方面的应用进展。5.尽管已经实现制备3D打印石墨烯超材料并将其应用起来，但是仍有许多关键问题亟待解决。未来3D打印石墨烯基超材料的发展方向可以概括为以下几个方面：（1）高效结构的设计，提高其物理性能，比如复合结构，梯度结构；（2）开发高精度高性能的3D打印石墨烯技术；（3）拓展3D打印石墨烯超材料的应用潜力。 图1 3D打印石墨烯基超材料的概要示意图图2 电磁超材料的人工结构设计 图3 声学超材料的结构设计 图4 光聚合技术制备3D打印石墨烯基材料 图5 3D打印石墨烯超材料用于压力响应装置 图6 3D打印石墨烯基超材料的机遇与挑战原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202207833官网：https://www.bmftec.cn/links/10

自然界中的许多轻质生物材料同时具有多种优异的力学性能，例如高模量、高强度、高断裂韧性和损伤容限等。研究表明，这些生物材料优异的力学性能与其多层级的结构密切相关。近些年，多层级的设计策略被成功地应用到三维力学超材料的构筑设计和制备中，但是目前这些三维多层级力学超材料主要是采用桁架作为材料的基本单元。另一方面，在许多无法事先判断载荷方向的应用场景下，人们往往期望结构材料具有各向同性，原因在于各向异性较强的结构可能仅在某一方向或某些方向上承载能力较强，而在其他方向的载荷作用下则很容易失效。因此，对于多层级点阵材料而言，研究其各向异性的程度并设计出各向同性的多层级点阵材料具有十分重要的意义。近期，清华大学李晓雁教授课题组采用桁架和平板单胞作为基本单元构筑设计了多种新型的混合多层级点阵结构（图1），并采用面投影微立体光刻设备（microArch S240，摩方精密BMF）制备了相应的多层级微米点阵材料。有限元模拟表明，通过在不同层级上选取合适的单胞结构，混合多层级点阵可以达到期望的弹性各向同性，并且具有比已有的自相似octet桁架多层级点阵更高的模量（图2）。对制备的不同取向的多层级微米点阵材料的原位力学测试表明，相比于各向异性的自相似octet桁架多层级微米点阵，混合多层级微米点阵在相同相对密度下具有更高的杨氏模量和压缩强度，并且可以更接近弹性各向同性，与有限元预测的结果一致（图3）。对于表现出弹性各向同性的ISO-COP混合多层级点阵材料，研究团队通过理论分析建立了其杨氏模量及失效模式与各层级结构几何参数的依赖关系，并给出了其失效模式相图（图4），有助于进一步理解多层级结构各层级之间力学性能的传递关系并据此进行结构几何参数的优化设计。相比于单一层级的平板点阵，桁架-平板混合多层级点阵具有密度更低、易于制备的优点；并且这种混合多层级的设计策略可以扩展至不同尺度和不同组分材料，在构筑轻质且具有优异力学性能的新型结构材料方面具有重要的应用前景。图1. 混合多层级点阵材料的构筑设计 图2. 多层级点阵结构的有限元模拟结果。(a-b)单轴压缩和剪切变形下的应力分布；(c-d)不同结构杨氏模量及各向异性度随相对密度的变化；(e-f)不同方向的杨氏模量 图3. 不同取向的多层级微米点阵材料的应力-应变曲线 图4. ISO-COP混合多层级微米点阵材料杨氏模量及失效模式的理论预测

 近年来，作为一种可调控波相位、极化方式、传播模式的超薄声学人工表面结构，声学超构表面(Acoustic metasurfaces)可以实现许多新奇的波控功能，在吸声降噪、医学超声、声波器件、探测、通信等领域展现了广阔的应用前景。然而，绝大多数声学超构表面都面临突出的窄带和功能色散问题，且主动调控的手段也存在功能色散、低可靠性、高系统复杂度和高制造成本等诸多挑战。更重要的是，可重构超构表面虽可保证离散频率下波动功能，但不太可能适用于含多个频率的宽带入射波包。因此，从工程应用的角度来看，声学超构表面亟需实现被动式超宽带、非频变特性，也需更多新的结构形式与调控机理。近期，北京理工大学方岱宁院士和董浩文副教授、香港理工大学成利院士、天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、青岛大学赵胜东副教授密切合作，并联合德国锡根大学张传增院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授、中科院深圳先进技术研究院郑海荣教授和邱维宝研究员等国内外学者，在超构材料领域取得重要进展。该团队提出了定制化色散的逆向设计方法，利用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)实现了声学超构表面的高精度3D打印，成功构造了消色差声学超构表面，实现了高效、相对带宽为93.3%的声波定向传输、相对带宽为120%的能量聚焦、相对带宽为118.9%的超声粒子悬浮等超宽带声学波束工程，并揭示了超宽带消色差特性的力学机理，为超宽带、高效、多功能超构材料器件提供了新的设计范式，可为先进结构技术与完美波动调控的结合提供系统的理论与方法。该研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。为获得超构表面的定制化色散特性，该研究提出了系统的超宽带消色差 “至下而上”逆向设计框架（图1）。为实现声波异常折射、聚焦和超声悬浮功能，超构表面需分别产生具备线性非色散、非线性非色散、非线性色散特性的三类波束，即：定向传输波束、聚焦束和局域空心束（图1b）。事实上，为实现特定的色散、严苛的相位分布与传输效率，所有超构表面单元必须同时满足特定的等效折射率、相对群延迟以及相对群延迟色散。因此，本研究建立了超构表面单元的“相位-效率-色散”的拓扑优化模型，利用遗传算法完成了超宽带、消色差、高效声学超构表面的逆向设计。图1：超宽带消色差超构表面的逆向设计方法 为证实逆向设计方法的正确性与有效性，本研究首先针对声波异常折射功能，设计出具有非对称局部腔体、弯曲空气通道的超构表面单元（图2a）。在低频宽带范围内(1600-4400 Hz)，优化单元具备恒定的等效折射率与高传输率（图2b, 2c）以及线性非色散特性。值得注意的是，这种拓扑特征与传统的Helmholtz共振腔和迷宫结构非常不同。这种区别意味着超宽带非色散特性无法由单一构型所决定，而需要多种拓扑特征的组合来实现。仿真和实验结果也进一步验证了具有恒定折射角的高效、异常透射功能（图2d，2e）。图2：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效异常波束折射 本研究进一步设计出更复杂的非对称超构表面单元（图3a），其具备超宽带恒定的等效折射率（图3b），且折射率增加的程度逐渐降低；大部分超构表面单元均可保持高于80%的传输效率（图3c）。有趣的是，#4、#5、#6和#7单元具有非常相似的拓扑特征，但#3、#2单元却呈现完全不同的特征，这意味着单一的拓扑构型无法实现超宽带非色散功能。结果表明，优化的超构表面可实现具有恒定焦距、高效、声波聚焦功能（图3d，3e），证实了其超宽带[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。图3：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效聚焦 为更进一步展示所发展优化模型与方法的优势，本研究还针对宽低频、高度复杂的色散特性，设计出一系列具有非色散、非线性色散特性的高效超构表面单元（图4a）。通过特定的单元集成方式，构建了含13×13个微米尺度单元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140，摩方精密，10 μm打印精度)、轻质、超薄的3D声波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。结果表明，超构表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]内产生具有恒定悬浮位置的局域空心束（图4e），从而实现了单边、稳定、超宽带的超声悬浮现象（图4f），显著优于目前已知的超声悬浮技术。此外，超构表面的波动功能对热粘滞损耗也具有很强的鲁棒性。图4：逆向设计的声学超构表面与超宽带、单边、稳定的超声粒子悬浮 为揭示超宽带消色差特性的机理，本研究详细地考察了具有线性非色散、线性非色散、非线性色散特性的3个代表性超构表面单元，分析了其相位响应（图5a-5c）、等效阻抗矩阵（图5d-5f）和散射性质（图5g-5i）。结果显示，优化的非对称单元均存在明显的内部共振(internal resonance)，从而有效地补偿了由单个结构块体色散而产生的复杂相移。此外，3种单元也存在一定程度的双各向异性(bi-anisotropy)。更有趣的是，这种优化的超构表面单元还存在显著的多散射效应，可被视为一种新的超构表面设计自由度。 图5：超宽带消色差特性的协同作用机理 针对声波超宽带声束工程，本研究发展了融合相位、幅值、色散、功能的声学超构表面通用逆向设计框架，设计出一系列新型非对称超表面，实现了超宽带、消色差声波负折射、聚焦和超声悬浮三类功能，揭示了超宽带消色差特性的协同作用机理，即：集成的内部共振、双各向异性以及多散射效应。研究可为超宽带、被动式、多功能超构材料的构造提供系统性逆向设计方法，可为2D/3D弹性波/声波超构材料的大规模、集成设计提供重要的理论指导与结构基础。近年来，本团队已提出了多种弹性波/声波超构材料的逆向设计模型，揭示了宽带力学机理，实现了一系列高性能弹性波、声波、水声功能及器件，为超构材料宽低频响应的系统性创新设计提供了解决方案。

金鱼藻具有独特的茎和叶的气孔，其茎叶呈带状，宽度小于0.5 mm，有利于在日照和空气有限的情况下有效进行光合作用（图1a-c）。此外，金鱼藻茎叶上的气孔不仅能与周围环境交换气体进行呼吸，还能阻止外界水流的流入，这对金鱼藻在水下的生存至关重要。图1. 一种仿生功能开放细胞。(a)金鱼藻。(b)金鱼藻表面覆盖着独特的气孔。(c)金鱼藻表面单气孔示意图。(d)利用PμSL 3D打印技术制备仿生开孔细胞。 受此启发，湖南大学王兆龙副教授、段辉高教授与中科院理化所董智超研究员，东南大学陈永平教授及上海交通大学郑平院士合作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表了题为“Underwater unidirectional cellular fluidics”的文章。该文章利用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)制备了原样品。在经过处理后，形成了外表面超亲水和内表面疏水的多孔仿生微结构（特征尺寸400微米），其不同接湿润性产生的拉普拉斯力（图2）保证了多孔仿生微结构的液体单向性能，这使液体被多孔仿生微结构阻挡在外，而在多孔仿生微结构内的液体和气体能被排出。此外，多孔仿生微结构的几何参数对其独特的单向流态性能有很大的影响。该团队也从理论上揭示了液体在3D打印多孔仿生微结构中的单向渗透机理。最终，还展示了多孔仿生微结构在水下厌氧化学反应的潜在应用。这种多孔仿生微结构为水下化学和微流体工程的潜在应用打开了一扇大门，如易燃材料的储存、快速固液分离和厌氧化学反应。图3.仿生网格在水下的单向流态特性研究。(a)水穿透孔的示意图。(b)不同情况下微孔的水接触线。(c)微孔外水滴的拉普拉斯压力。(d)仿生网格的单向渗透示意图。(e)水下细胞流体性能测试模型。(f)两个孔之间的距离对单向流体性能的影响。(g)孔宽对单向流态性能的影响。实验结果表明，由于毛细力的作用(图3a-ⅰ)，水在孔的末端以较高的速度上升(图3a-ⅱ)。而由于惯性作用，水将会在达到出口之后继续上升(图3a-ⅲ)，同时，拉普拉斯压力随着孔口液滴弯月面曲率减小而逐渐增大。当拉普拉斯压力达到最大时，如果水的动能使动态接触角大于表面前进接触角，水将会从孔中溢出(图3a-c)。因此，鉴于内表面具备疏水性，水不能渗透到多孔仿生微结构内 (图3d-ⅰ)。相反，由于另外一侧是超亲水表面，最大拉普拉斯力接近0，水将从多孔仿微结构疏水侧渗透到亲水侧(图3d-ⅱ)，从而使得该仿生结构具有优异的单向液体穿透能力。多孔仿生微结构在水下的单向渗透性能由仿生网格结构失去单向性前的最大水深来表征(图3e-ⅰ)。矩形孔在水下的单向流控性能最好，而三角形孔仿生膜的性能最差。此外，微结构厚度对仿生膜单向流控性能也有较大的影响，在100 μm至1000 μm范围内，仿生膜的可持续水深随膜厚的增加而增加。但随着膜厚的增加，可承受水深将保持在75 mm左右。两孔间距、孔宽对仿生膜水下单向流控性能的影响分别如图3f、g所示。对于150 μm孔，多孔仿生微结构的可承受水深仅为10 mm左右。当孔径为300 μm左右时，可承受水深随着孔间距的增加迅速增加，达到 45 mm左右。之后，随着两孔间距的增加，可承受水深缓慢增加(图3f)。图4. 水下仿生细胞内部的化学反应。(a)水下仿生细胞。(b)液滴滴在仿生细胞内表面时，仿生细胞的排水特性。(c)液滴滴在仿生细胞外表面时的拒水性能。(d)0.5mol▪L-1NaHCO3与0.5mol▪L-1H2SO4在仿生细胞内的化学反应。(e)0.5mol▪L-1FeSO4与0.5mol▪L-1NaOH在充满CO2的仿生细胞内的化学反应。(f)我们的仿生细胞在水下的自清洁性能。基于仿生网格的优异液体单向通过特性，研究人员设计了微网格结构组成的封闭仿生细胞腔体。该仿生腔体具有疏水的内壁面及超亲水的外壁面，从而使得外侧的水在一定条件下无法穿过多孔仿生网格进入仿生细胞腔体内，从而形成水下密闭空间。该仿生细胞腔体被应用于微反应器(图4a-c)。研究结果表明，由于网格微米孔的存在，产生的气体可以自由出入仿生细胞(图3a-ⅲ)，并且可在水下形成无氧环境，进而可实现保护气作用下的特殊化学反应。最重要的是，由于仿生网格独特的液体单向特性，该仿生细胞在反应结束后会快速排出腔体内的所有液体，具有极为优异的水下自清洁特性。该项研究成果获得国家自然科学基金委，湖南省优秀青年基金，广东省重大专项及国防科工局民用航天项目等研究项目支持，以“Underwater unidirectional cellular fluidics”为题发表于国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》,14,7 (2022) 9891–9898，其中，湖南大学谢明铸硕士生为第一作者。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

灵敏度高、线性传感范围宽的柔性压力传感器在机器人触觉、健康监测、可穿戴设备领域具有重要应用。构筑微结构可以提高传感器的灵敏度，但由于软材料在压力作用下的结构硬化问题使传感器的响应逐渐饱和，导致器件呈现较窄的传感范围和显著的非线性响应。针对这一问题，来自南方科技大学的郭传飞教授团队设计了由微穹顶阵列与带有次级微柱的微穹顶（分级微穹顶）阵列而形成的一种分级互锁结构，有效提升界面结构的可压缩性，显著降低结构硬化，实现柔性压力传感器的高灵敏度（49.1 kPa-1）、线性响应（相关系数R2>0.995）和宽传感范围的统一（~485 kPa）。传感器的响应/恢复时间小于5 ms，可以检测频率高达200 Hz的振动刺激，显示出良好的动态响应特性。将传感器用于机械手的抓取任务中，结合机器学习，帮助机械手识别被抓取物体的重量，提升机器人触觉感知能力。相关工作以“Graded Interlocks for Iontronic Pressure Sensors with High Sensitivity and High Linearity over a Broad Range”为题发表于国际期刊《ACS Nano》。 该研究使用面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具，进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜。打印模具尺寸：9 mm×9 mm×1.5 mm，单个微穹顶尺寸（电极模具）：宽290 μm，高480 μm；次级微柱尺寸（离子膜模具）：直径28 μm，高70 μm。每层打印精度设置为5 μm，以实现分级互锁结构的高精度、定制化打印。 这项工作为制造具有高灵敏度、高线性度和宽压力响应范围的柔性压力传感器提供了一种策略，在未来的触觉器件中具有广阔的应用前景。                    图1. 分级互锁结构的可压缩性及器件传感原理 分级互锁结构由微穹顶结构与带有次级微柱的微穹顶结构组成。微柱在分级互锁结构中具有重要作用。一方面，它提高了结构的可压缩性，减少结构硬化，使应力分布更均匀，有助于实现线性形变；另一方面，微柱结构的引入减小了电极与离子膜之间的起始接触面积，可有效提高了器件的灵敏度（图1）。 图2. 分级互锁型柔性压力传感器的制备该研究使用面投影微立体光刻技术打印具有微穹顶结构以及分级微穹顶结构的树脂作为模具。进一步地，通过模板法获得具有微穹顶结构的环氧树脂/Au电极及离子膜，并与平面电极PET/Au组合、封装，获得分级互锁型器件（图2）。 图3. 分级互锁型柔性压力传感器的传感性能分级互锁结构的设计实现了器件的高灵敏度、高线性度及宽传感范围的统一，同时提升了器件的响应速度，实现对高频振动刺激的精准检测，呈现出良好的动态响应特性（图3）。 图4. 分级互锁型柔性压力传感器的线性传感特性 将该传感器用于开发线性响应的电子天平，并用于测量几种未知物体的重量，其输出结果与商业电子天平的称量结果几乎一致，表明了自制电子天平对质量的测量比较准确、可靠，而且无需额外的非线性校准，大大简化数据处理过程（图4）。 图5. 基于机器学习的抓取任务感知与重量识别 柔性压力传感器的一个重要应用是为机器人带来触觉感知能力，使机器人能够像人类一样与外界互动。将分级互锁型传感器集成在气动抓手表面，实现机械手在抓取物体时的触觉感知；结合机器学习，帮助机械手识别物体的重量（图5）。

基于可逆失活自由基聚合（RDRP） 的3D 打印技术为制备具有“活性”的聚合物材料提供了有效手段。该类材料由于保留有活性位点，可进一步用于聚合后修饰及功能化，以制备多种多样的刺激响应性材料，目前正成为该领域的研究热点。然而，相较于商用体系，已有技术的打印速率通常较低，限制了其实际应用。同时，已报道工作主要基于RDRP方法，机理较为单一。近期，苏州大学朱健教授团队探索了基于阳离子可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合的立体光刻蚀（SLA）3D打印（ACS Macro Lett. 2021, 10, 1315）以及阳离子/自由基RAFT聚合联用的数字光处理（DLP）3D打印（Macromolecules 2022, 55, 7181）。拓宽了活性3D打印的聚合机理及单体适用范围，为调控材料性能提供了丰富手段。相较于自由基RAFT聚合，阳离子RAFT聚合通常具有更快的聚合速率。在本文中，该研究团队考察了基于自由基促进的阳离子RAFT（RPC-RAFT）聚合的DLP 3D打印体系，实现了较为快速的打印速率（12.99 cm/h）。首先，作者设计了模型聚合来研究该方法的聚合行为，其机理如图一所示。商业可得的光引发剂（TPO）与二苯基碘鎓盐（DPI）被用于产生初始的阳离子引发种，随后聚合由一种二硫代氨基甲酸酯RAFT试剂（图3 B）通过阳离子RAFT过程调控。图1. 推测的聚合机理。如图2A所示，聚合呈现一级线性动力学，聚合物分子量与理论值吻合较好，分子量分布窄，符合活性聚合特征。图2. 在405 nm波长光源下IBVE的聚合动力学结果：A） 单体转化率半对数与聚合时间的关系曲线；B） 分子量（Mn）和分子量分布（Ɖ）与单体转化率的关系；C）IBVE聚合物的SEC曲线。随后研究团队详细研究了交联体系的聚合行为（图3），对双官能度单体二乙二醇二乙烯基醚（DDE），单官能度单体异丁基乙烯基醚（IBVE），RAFT试剂以及TPO/DPI引发体系不同配比进行了考察。结果显示没有IBVE时，聚合速率与单体最终转化率降低，这可能是由过高的交联密度导致。DDE与IBVE的比例在3:1到1:3之间变化时对聚合速率影响较小。进一步提高IBVE含量则会导致鎓盐析出。改变RAFT试剂的比例对聚合速率影响较小，这与传统的自由基RAFT聚合不同，可能是由于在阳离子RAFT聚合中不存在阻聚效应。图3. A）商用DLP 3D打印机模型示意图；B） 用于RPC-RAFT聚合3D打印的树脂配方； 聚合树脂在405 nm波长光源照射以及不同反应条件下单体的转化率与时间曲线：C） 不同光催化剂浓度；D）不同官能度乙烯基醚配比；E）不同RAFT试剂浓度。利用优化后的打印树脂与商业可得的DLP 3D打印机，研究团队成功打印出具有较好分辨率的物体（图4）。然而，打印速率最高为6.77 cm/h。当进一步优化打印条件提高速率时，由于IBVE相对较低的沸点（83 °C），释放的聚合热使树脂出现了沸腾现象。 图4. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。于是研究人员将低沸点的IBVE替换为高沸点（179.09 °C）的环己基乙烯基醚（CVE），成功将打印速率提升至12.99 cm/h，该速率为目前活性打印体系的最高值。在该打印条件下，成功打印出具有不同形成的三维物体（图5）。 图5. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。最终，研究人员通过荧光单体（TPE-a）的聚合后修饰证明了所打印物体的活性特征。如图6所示，在利用该树脂所打印的薄膜表面涂上荧光单体溶液并用打印机形成的图案光照射，随后洗去溶液。经过照射的部分由光引发RAFT聚合扩链成功实现了荧光单体的接枝，因此在紫外光下呈现出荧光图案（图6 F）。在对比实验中，打印的薄膜由不含RAFT试剂的树脂制备，经过相同操作后在紫外光下则无荧光图案（图6 D），证明了该方法所打印物体具有活性特征。 图6. A） DLP 3D打印机中进行3D打印物体后功能化修饰示意图；B）3D打印物体后功能化修饰机理图；C） 未经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；D） 未经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像；E） 经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；F） 经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像。该工作以“Fast Living 3D Printing via Free Radical Promoted Cationic RAFT Polymerization”为题发表在《Small》上 。论文第一作者是苏州大学在读博士生赵博文，通讯作者为苏州大学朱健教授和李佳佳博士后。该工作获得了国家自然科学基金，中国博士后科学基金以及江苏省优势学科基金的资助。后续工作敬请关注。原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202207637来源：高分子科技摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（PμSL）技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。管我：https://www.bmftec.cn/links/10

人们经常向往能够拥有魔法，以实现各种神奇的操作比如隔空操控、隔空取物，即在不主动触碰某个物体的情况下，用类似意念的超能力操控物体移动，多用于神话科幻电影或小说。正所谓，科技来源于想象，想象力是推动人类走向物种最顶端的原动力。而当科技发展到一定程度时，这种对于超能力的向往、对神奇操作的想象有时也会成为现实。2022年8月26日，国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）报道了北京航空航天大学机械工程及自动化学院仿生机器人研究团队文力课题组在软体机器人交互控制领域取得的最新进展。 操作人员通过裸手不仅能够实现对具有大量自由度的软体机器人的非接触控制，而且可以完成各类复杂的操作。能够将复杂的软体机器人的运动控制变得大众可及，得益于北京航空航天大学研究团队最新提出的基于双模态智能传感界面的软体机器人非接触交互示教方法。在该研究中，基于研究团队所研发多模态柔性传感界面，示教者在不接触软体机器人、无任何穿戴设备的情况下利用裸手交互地示教软体机器人（如连续体软体臂），使其实现复杂三维运动。其主要原理是，利用“隔空”条件下交互界面与人手表面电荷产生的静电感应，将人手和软体机器人之间的距离信号转换为传感信号，进而“诱导”机器人的运动。这类基于多模态柔性感知的非接触的示教方法可以显著拓展人类与软体机器人的交互方式。该论文第一作者为北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士研究生刘文博，朵有宁、刘嘉琦、袁菲阳为共同第一作者，文力教授为论文通讯作者。中国科学院北京纳米能源与系统研究所与清华大学计算机系为本研究的合作单位。瞄准领域痛点问题软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境。由于软体材料的自由度可以根据需求自由变化，因此软体机器人有着极高的灵活性，并且软体机器人与生俱来的高度适应性，使其在与人类互动方面同传统的刚性机器人相比更具安全优势，在生物工程、救灾救援、医疗领域有着很大的应用前景，受到越来越多的关注。然而，由于目前软件机器人在建模和编程方面存在一定挑战，使得非专业人员在使用软件机器人实现特定动作及执行特定任务时常常面临一些不容忽视的困难。交互式示教方法能够高效、灵活地引导软机器人实现对应的运动，这将有助于软体机器人在室内、生产线和其它非结构化环境中的应用。攻克两大研究挑战在传统刚性机器人上常用到的拖拽示教的方式，并不能很好地应用于软体机器人，其主要是由于软体机器人顺应性高、具有无限自由度的自身特性。因此，直接进行“拖拽”会使软体机器人产生很大的被动变形。如果想检测这些被动变形，则需要在软体机器人上布置大量传感器。在解决软体机器人示教交互问题上，目前面临着两大挑战。（1）一种柔性多模态智能传感器-能够在适应软体机器人大变形的前提下，对多种环境信息（距离、压力以及材质等）做出响应。（2）一种友好的无需编程的软体机器人示教系统-能够简单高效地将人的指令传递给软体机器人。挑战一：多模态柔性传感器由于操作人员在与软体机器人交互过程中可能产生多种信号，且传感器需适应软体机器人自身柔软的特性，因此用于人机交互的传感器应具有检测多模态信号、柔软可变形等特点。课题组基于摩擦纳米发电机原理和液态金属的压阻效应提出了一种能够对非接触信号和接触信号进行实时感知和解耦的柔性双模态智能传感器（flexible bimodal smart skin, FBSS）。该传感器结构上主要包括柔性介电层、柔性电极层、激励层、液态金属图案和封装层组成。该团队利用新型微立体面投影光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)实现了柔性介电层表面微型金字塔模具的3D打印，该传感器自身具有较强的柔性和可拉伸性。图1. 接触/非接触柔性双模态智能传感器(FBSS)的设计与传感原理。(a)传感器将不同功能层堆叠在一起。包括柔性介电层(青色)、柔性电极层(灰色)、刺激层(浅黄色)、液态金属(黑色)和封装层(橙色)。(b)柔性介电层顶部微金字塔结构的电子显微镜图像。该金字塔型微结构一方面可以有效介电层的表面积，增加表面电荷量进而提高非接触传感的灵敏度；另一方面可以减少外力作用在液态金属腔道上的面积增加压强促进液态金属腔道变形，进而提高接触传感的灵敏度。(c)印刷在硅胶材料层上的液态金属材料的光学显微镜图像。(d) FBSS可被弯曲，展示了其柔性。(e)样机可被拉伸(最大拉伸率为58.4%)。(f)样机的接触/非接触传感机制：i)柔性介电层(灰色)和外部物体(红色)在接触几次后，由于电子亲和性不同，产生了等密度的负电荷和正电荷。ii)当外部物体接近柔性介电层时，自由电子被驱动并从大地流向柔性电极。iii)外部物体开始接触FBSS，电子转移量增加，液态金属电阻增加。iv)外部物体与FBSS完全接触，转移的电子数和液态金属的电阻都达到最大值。v)随着外界压力的释放，电子从柔性电极(灰色)回流到大地，液态金属的电阻减小。vi)随着外部物体(红色)与FBSS分离，回流电子增多，液态金属的电阻恢复到初始状态。研究团队对柔性双模态智能传感器进行了系统的实验测试，研究结果表明，该传感器可以灵敏地检测外界物体与传感之间的距离以及接触压力，并且能够实时解耦这两种模态。此外该传感器利用不同材质得失电子能力的差异性，还可以对接触物体的材质进行检测。最后，实验研究表明该传感器具有一定环境抗干扰能力以及良好的稳定性和耐久性。研究团队所提出的柔性双模态智能传感器可以有效地检测外部物体的接近和接触信息，比如高速下落的网球，在整个过程传感器可以实时感知和区分网球的接近和击中传感器的逐个阶段。此外，该传感器还可以检测一个羽毛的飘落过程：随着羽毛逐渐接近，传感器输出的非接触信号逐渐增加。该柔性双模态智能传感器还能够感知人手的接近和按压信号，无需在手上增加任何外接设备：研究人员将该传感器连接进入LED灯控制电路，利用人手的接近信号控制控制红色LED灯亮度，接触信号控制蓝色LED灯亮度。图2. FBSS接触和非接触传感特性的表征结果。(a, b)网球从FBSS上方落下(下落距离200mm)的高速相机图像和接触、非接触输出信号。(c, d)人手指按压FBSS时的场景和接触、非接触输出信号。当检测到的非接触信号超过一个阈值时，红色发光二极管点亮；当手指按压FBSS时，蓝色LED点亮。在此基础上，课题组人员尝试将多模态柔性传感器与一些简单的软体机器人结合，实现了软体机器人与环境、与人的初步交互。将柔性多模态智能传感器放置在一段软体驱动器末端，通过人手能够实现非接触地直接控制驱动器的弯曲和收缩。这给人一种魔法般的体验；将柔性多模态传感器与气动折纸结构软体手结合，即使软体手完全埋进沙子依旧能够感知附近玩具昆虫的接近信息，并对其进行精准地抓取；柔性多模态智能传感器与气动驱动软体手爪结合，亦可实现运动路径上目标物体的搜寻与抓取：随着软体手爪逐渐靠近目标物，传感器输出的非接触信号逐渐增加，当超过一定阈值时系统判定为软体抓手找到了目标物并进行抓取，抓取过程中传感器输出的接近信号开始逐渐增加，最终实现了对目标物体的成功抓捕。图3. 自驱动软体机器人被人和环境的非接触信号触发。气动三自由度软体机械臂被人手的接近信号触发实现(a)弯曲和(b)缩短。(c)装有FBSS的气动软体折纸机器人成功检测并抓住玩具昆虫。(d)一个装备有FBSS的软体抓手自主搜索、检测和抓取塑料圆柱体物体，(e)在这个过程中接触和非接触信号随时间变化的结果。挑战二：针对软体机器人的示教交互方式基于多模态柔性传感器，课题组针对10自由度（软体臂主体由9根波纹管式气动驱动器组成，末端有一气动软体手）气动软体机械臂提出了一种非接触示教交互方式：利用人手的接近信号进行非接触控制，软体机械臂运动的步长大小对应非接触信号的大小，人手的按压信号用于控制末端软体手的开合。无需额外的穿戴设备，操作人员通过裸手即可与软体机械臂进行交互。同时，为了实现对软体机器人复杂姿态的控制，研究团队另辟蹊径，提出了“变换传感器位置&示教”的方法。在传感器的背部以及软体机器人上放置小的圆形磁铁，利用磁力快速改变传感器在软体机器人上的位置，从而实现对软体机器人各个驱动段的位姿控制。为简单验证上述示教控制系统的可行性，课题组人员控制软体机械臂进行二维、三维空间物体抓取任务。其重复过程能够很好地对示教过程进行复现。这种示教方式能够有效地捕捉并抓取空间内高、中、低大范围内的目标物体。由于交互控制系统能够完整地记录示教交互过程的控制步长数据，操作人员可以对复现过程的速度进行控制，并且根据用户的需求做出相应的调节。此外，研究人员还在软体机械臂每一段末端和贴附传感器的弧形片上安装了小磁片，便于交互过程中传感器位置的切换。该方法通过简单、快速地更换传感器的位置，实现了对每一段的高效交互控制，最终实现了整个软体复杂位姿的简单控制。图4. 基于“传感器换位与示教”方法交互式示教软体机械臂实现复杂运动。FBSS I和FBSS II随时间变化的非接触和接触信号的归一化结果。每个图中的红色和蓝色箭头表示用户正在将FBSS从一个位置移动到另一个位置，以便与软体机械臂的不同位置进行交互。(a)示教者使用“传感器换位与示教”方法操纵软体臂实现二维空间运动。(b) 使用“传感器换位与示教”方法操纵软体臂实现复杂三维空间运动。除了简单的控制软体机器人完成空间物体的抓取任务以外，还可以与软体机器人进行无接触的互动教学，从而实现更加复杂、更具挑战性的任务。例如，将一根水彩笔安装软体臂末端，通过示教方式“教会”软体机械臂在迷宫中行走；通过示教方式操作软体机械臂进行咽拭子采样。为更好地展现软体机械臂的灵活性和示教交互方式的效果，课题组人员在软体机械臂和目标物之间放置一块障碍物，通过示教方式，“教会”软体机械臂越过障碍并成功抓取一朵花。图5. 交互式示教自驱动软机器人潜在应用的展示。(a)示教软体机械臂走迷宫的实验场景。(b, c)软体机械臂走迷宫实验中示教和复现的轨迹。(d)走迷宫实验示教过程中的信号曲线。咽拭子采集实验示教过程的(e)实验场景和(f)信号曲线。(g)交互式示教软体机械臂越过障碍物并成功抓取花朵。研究团队提出一种基于多模态柔性传感的软体机器人的“非接触示教”方法。基于所研发多模态柔性传感界面，示教者利用裸手可以无接触地、交互地示教软体机器人（如连续体软体臂），使其实现复杂三维运动。这类基于多模态柔性感知的非接触的示教方法可以扩展人类与软体机器人交互方式。这种简单、高效、友好的非接触交互示教方式，为软体机器人在非结构化环境中的交互控制提供了一种新的范式。图6. 软体机器人非接触交互示教概念图：人们通过非接触示教的方式轻松控制软体机器人在非结构化环境中作业。

 近年来，作为一种可调控波相位、极化方式、传播模式的超薄声学人工表面结构，声学超构表面(Acoustic metasurfaces)可以实现许多新奇的波控功能，在吸声降噪、医学超声、声波器件、探测、通信等领域展现了广阔的应用前景。然而，绝大多数声学超构表面都面临突出的窄带和功能色散问题，且主动调控的手段也存在功能色散、低可靠性、高系统复杂度和高制造成本等诸多挑战。更重要的是，可重构超构表面虽可保证离散频率下波动功能，但不太可能适用于含多个频率的宽带入射波包。因此，从工程应用的角度来看，声学超构表面亟需实现被动式超宽带、非频变特性，也需更多新的结构形式与调控机理。近期，北京理工大学方岱宁院士和董浩文副教授、香港理工大学成利院士、天津大学汪越胜教授、美国罗文大学沈宸助理教授、青岛大学赵胜东副教授密切合作，并联合德国锡根大学张传增院士、美国杜克大学Steven A. Cummer教授、中科院深圳先进技术研究院郑海荣教授和邱维宝研究员等国内外学者，在超构材料领域取得重要进展。该团队提出了定制化色散的逆向设计方法，利用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)实现了声学超构表面的高精度3D打印，成功构造了消色差声学超构表面，实现了高效、相对带宽为93.3%的声波定向传输、相对带宽为120%的能量聚焦、相对带宽为118.9%的超声粒子悬浮等超宽带声学波束工程，并揭示了超宽带消色差特性的力学机理，为超宽带、高效、多功能超构材料器件提供了新的设计范式，可为先进结构技术与完美波动调控的结合提供系统的理论与方法。该研究以“Achromatic metasurfaces by dispersion customization for ultra-broadband acoustic beam engineering”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR, https://doi.org/10.1093/nsr/nwac030, 2022)。为获得超构表面的定制化色散特性，该研究提出了系统的超宽带消色差 “至下而上”逆向设计框架（图1）。为实现声波异常折射、聚焦和超声悬浮功能，超构表面需分别产生具备线性非色散、非线性非色散、非线性色散特性的三类波束，即：定向传输波束、聚焦束和局域空心束（图1b）。事实上，为实现特定的色散、严苛的相位分布与传输效率，所有超构表面单元必须同时满足特定的等效折射率、相对群延迟以及相对群延迟色散。因此，本研究建立了超构表面单元的“相位-效率-色散”的拓扑优化模型，利用遗传算法完成了超宽带、消色差、高效声学超构表面的逆向设计。图1：超宽带消色差超构表面的逆向设计方法 为证实逆向设计方法的正确性与有效性，本研究首先针对声波异常折射功能，设计出具有非对称局部腔体、弯曲空气通道的超构表面单元（图2a）。在低频宽带范围内(1600-4400 Hz)，优化单元具备恒定的等效折射率与高传输率（图2b, 2c）以及线性非色散特性。值得注意的是，这种拓扑特征与传统的Helmholtz共振腔和迷宫结构非常不同。这种区别意味着超宽带非色散特性无法由单一构型所决定，而需要多种拓扑特征的组合来实现。仿真和实验结果也进一步验证了具有恒定折射角的高效、异常透射功能（图2d，2e）。图2：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效异常波束折射 本研究进一步设计出更复杂的非对称超构表面单元（图3a），其具备超宽带恒定的等效折射率（图3b），且折射率增加的程度逐渐降低；大部分超构表面单元均可保持高于80%的传输效率（图3c）。有趣的是，#4、#5、#6和#7单元具有非常相似的拓扑特征，但#3、#2单元却呈现完全不同的特征，这意味着单一的拓扑构型无法实现超宽带非色散功能。结果表明，优化的超构表面可实现具有恒定焦距、高效、声波聚焦功能（图3d，3e），证实了其超宽带[1000 Hz, 4000 Hz]、消色差特性。图3：逆向设计的声学超构表面与其超宽带高效聚焦 为更进一步展示所发展优化模型与方法的优势，本研究还针对宽低频、高度复杂的色散特性，设计出一系列具有非色散、非线性色散特性的高效超构表面单元（图4a）。通过特定的单元集成方式，构建了含13×13个微米尺度单元(4.2 mm×4.2 mm×1.2 cm,S140，摩方精密，10 μm打印精度)、轻质、超薄的3D声波超表面(5.46 cm×5.46 cm×1.2 cm)。结果表明，超构表面可在[16.5 kHz, 66 kHz]内产生具有恒定悬浮位置的局域空心束（图4e），从而实现了单边、稳定、超宽带的超声悬浮现象（图4f），显著优于目前已知的超声悬浮技术。此外，超构表面的波动功能对热粘滞损耗也具有很强的鲁棒性。图4：逆向设计的声学超构表面与超宽带、单边、稳定的超声粒子悬浮 为揭示超宽带消色差特性的机理，本研究详细地考察了具有线性非色散、线性非色散、非线性色散特性的3个代表性超构表面单元，分析了其相位响应（图5a-5c）、等效阻抗矩阵（图5d-5f）和散射性质（图5g-5i）。结果显示，优化的非对称单元均存在明显的内部共振(internal resonance)，从而有效地补偿了由单个结构块体色散而产生的复杂相移。此外，3种单元也存在一定程度的双各向异性(bi-anisotropy)。更有趣的是，这种优化的超构表面单元还存在显著的多散射效应，可被视为一种新的超构表面设计自由度。 图5：超宽带消色差特性的协同作用机理 针对声波超宽带声束工程，本研究发展了融合相位、幅值、色散、功能的声学超构表面通用逆向设计框架，设计出一系列新型非对称超表面，实现了超宽带、消色差声波负折射、聚焦和超声悬浮三类功能，揭示了超宽带消色差特性的协同作用机理，即：集成的内部共振、双各向异性以及多散射效应。研究可为超宽带、被动式、多功能超构材料的构造提供系统性逆向设计方法，可为2D/3D弹性波/声波超构材料的大规模、集成设计提供重要的理论指导与结构基础。近年来，本团队已提出了多种弹性波/声波超构材料的逆向设计模型，揭示了宽带力学机理，实现了一系列高性能弹性波、声波、水声功能及器件，为超构材料宽低频响应的系统性创新设计提供了解决方案。

第一作者：Shuyan Ni，Jinzhi Sheng通讯作者：周光敏，丘陵  通讯单位：清华大学深圳国际研究生院背景介绍锂金属是下一代高能量密度可充电电池负极的终极选择而备受关注。然而，不可控的枝晶生长、死锂的形成以及锂金属负极的大体积变化会导致严重的安全隐患，例如短路、起火甚至爆炸。引入锂宿主材料可能是缓解上述问题的优异策略，氧化石墨烯（GO）薄膜具有优异的亲锂性，这对于在合成过程中实现均匀的熔融锂注入和电池循环中的低锂成核势垒至关重要。然而，用作锂宿主的全致密GO薄膜存在许多问题。金属锂倾向于在电极的上表面沉积和剥离，且沉积的锂金属会阻碍电解液的进入和离子传输，导致枝晶生长、SEI破裂和内部电极表面的损失。值得关注的是，电极中不那么曲折的离子传输路径会在电解液中产生低的锂离子浓度梯度和均匀的电极电流密度。成果介绍鉴于此，清华大学深圳国际研究生院周光敏副教授和丘陵副教授等人采用连续离心铸造法制备了大面积氧化石墨烯（GO）作为锂金属的宿主，然后使用3D打印模板通过简单的冲压方法在其中制造对齐的微通道。GO基体有效地调节了锂的沉积/剥离行为，而对齐的通道均匀地分布了锂离子通量并提供了短的锂离子扩散路径。同时，Li/多孔GO复合材料具有柔韧性，其可控厚度为50至150µm，对应的容量为9.881至27.601 mAh cm-2。结果表明，所制备的负极在循环100小时后具有30 mV的低过电位，≈3538 mAh g-1的高容量（理论容量的91.4%），以及匹配LiFePO4正极在高达50 C的倍率下展现出优异的循环性能。此外，多孔GO/Li电极还与其他正极配对并用于软包电池，表明其适用于各种高能电池系统。相关论文以“Dendrite-Free Lithium Deposition and Stripping Regulated by Aligned Microchannels for Stable Lithium Metal Batteries”为题发表在Adv. Funct. Mater.。研究亮点1. 耦合亲锂和结构设计，得到的电极具有柔韧性，可以多次折叠和展开，厚度可控。GO中排列的通道能够均匀分布锂离子通量，提供更短的扩散路径；2. 复合负极具有低于30 mV的低过电位和超过400小时的长寿命。组装了与 LiFePO4正极匹配的电池，在20 C的高倍率下具有93 mAh g-1的容量和超过600 次的长循环寿命；3. 与LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正极配对时，其容量为117.9 mAh g-1，并在150个循环后保持稳定；图文解析图1. GO致密薄膜的制备及表征图2. GO/Li电极的锂沉积/剥离过程图3. 循环过程中的极化测试图4. 循环前后的形貌和阻抗演变图5. 全电池测试官网：https://www.bmftec.cn/links/10

亿万年的进化赋予了天然生物材料（如骨骼、树木）极其精妙的多级、多尺度结构。得益于此，即使其基本构筑单元的种类有限且性能平平，此类生物材料仍表现出一系列优异性能和复杂功能，因此也成为科研界开发具有卓越性能及功能的先进材料的灵感来源。随着纳米技术的发展，研究人员已通过自组装、模板导向及3D打印等方法制备出了多种具有多级结构的仿生材料。然而，对于多级结构的控制往往局限于宏观或微观尺度范围内，而涵盖纳米到宏观尺度的多级结构的可控制备鲜有工具。近日，清华大学深圳国际研究生院丘陵副教授与成会明院士课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202105879）。该文章提出了一种基于3D打印模板引导组装的方法，以石墨烯为基本构筑单元，实现了多尺度多级结构的精确制备。该方法结合了数字光处理（DLP）3D打印对介观到宏观尺度结构的精细定制能力以及石墨烯可控自组装对纳米到微米尺度结构的调控能力，从而实现了特征尺寸由纳米至厘米跨越七个数量级的多级结构控制。该方法可以拓展到其他二维材料以及陶瓷材料的多级结构的制备，为多尺度可设计结构的制备提供新思路。实验结果表明，通过对于多级结构的合理设计，可以赋予三维石墨烯宏观体一系列优异的性质。例如，通过不同尺度范围内有序结构的组装，使制备出的石墨烯结构具有超高模量（高于其他超轻多孔材料10倍以上）及超弹性（可由95%的压缩应变完全恢复）等优异力学性能。此外，具有高机械强度及精巧设计的石墨烯结构可实现破纪录的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空气密度的1/15）、超高的有机溶剂吸收能力（可吸收高达自身重量2060倍的氯仿）以及高电导率等特性。图1多尺度石墨烯结构的制备流程及高自由度结构设计 图2 不同尺度下的多级结构特征图3可定制的力学行为：(a,c)高刚度；(b,d)超弹性 图4 多尺度石墨烯结构的多样化应用：(a-b)超轻高模量材料；(c)超高有机溶剂吸收能力；(d)作为模板实现功能材料的复杂多级结构制备（左至右：氧化钛、二硫化钼/石墨烯、氧化铝）官网：https://www.bmftec.cn/links/10

负泊松比结构材料是一种在受压时表现为横向收缩，在受拉时表现为横向膨胀的有序多孔介质。独特的变形特性赋予了负泊松比结构材料诸多优异的力学性能，如高剪切强度、高抗压痕/抗冲击性能、高抗断裂性及能量吸收等。自从Lakes等人首次报道负泊松比聚氨酯泡沫以来，众多研究者都致力于开发新型负泊松比结构材料并寻找其潜在应用。内凹蜂窝结构是一种典型的二维负泊松比结构材料，通过内凹机制使材料呈现负泊松比效应。然而，由于高孔隙率，其刚度远低于组成材料的刚度。通过加入加强杆、制备负泊松比复合材料、设计变梯度结构、引入层次结构等方法可以显著提高结构材料的刚度。然而，上述方法大多数适用于二维的内凹蜂窝结构，这就意味着其负泊松比效应只能在平面内方向出现。相比之下，三维内凹结构材料的工程应用潜力更大，但其刚度和负泊松比之间仍然存在此消彼长的问题且二者都与其胞元结构有着密切的关系。为满足日益增长的实际工程需求，需要设计一种既能保证负泊松比效应又能提升整体刚度的增强型负泊松比结构材料，并寻找胞元结构与泊松比和刚度的关联机制，最终实现通过结构参数对泊松比和刚度同时进行调控的目标。近日，中国工程物理研究院唐昶宇研究员团队和西南交通大学许阳光副教授团队共同设计了一种新型的三维内凹负泊松比结构材料并对其结构参数与等效弹性模量（与刚度相关）和泊松比的关联机理开展了系统的研究。通过在典型的三维内凹结构（图1a）上添加箭头结构来实现增强目的（图1b和图1c），利用微尺度3D打印机（nanoArch P150，摩方精密）制备了增强型结构样品（图1d）。结合实验和有限元模拟发现，三维增强型内凹结构的等效弹性模量和负泊松比可以通过不同的结构参数（即厚度比h、斜杆长度比a、竖杆长度比b和重入单元的角度q）进行调整。例如，通过优化结构参数，增强型内凹结构的等效弹性模量比典型内凹结构提高12.32倍，而二者的泊松比均为-0.28。 图1.(a)典型三维内凹结构(RS)单元；(b)带有加强杆的三维内凹结构(RRS)单元；(c)对应的几何构型以及(d)实验样品照片（从左至右为RRS1-5）此外，研究团队还探究了相对密度与等效弹性模量比、泊松比的关系,如图2所示。等效弹性模量比>1，表明增强型内凹结构在相同相对密度下有更高的刚度。此外，在相同的相对密度下，增强型内凹结构可以实现保持几乎不变的泊松比但显著提高材料的刚度，如图2(b)所示。添加的箭头结构与内凹结构之间形成了一种双箭头结构，形成的双箭头结构进一步促使了新结构在受压时产生收缩。因此该增强型内凹结构能在几乎不变的泊松比下有更高的刚度。图3中的位移云图也表明增强型内凹结构具有负泊松比效应。图2.增强型内凹结构和典型内凹结构相对密度与等效弹性模量比、泊松比的关系 图3.在沿z方向的单轴准静态压缩试验下，试样RRS2在x方向上的位移云图总的来讲，该工作通过独特的结构设计，实现了在几乎不牺牲负泊松比效应的前提下显著提高材料的刚度，为进一步拓宽负泊松比结构材料的应用范围提供了一种有效的解决方案，也对这类结构超材料性能导向的结构逆向设计进行了有益探索。上述研究成果以题为“A 3D Re-entrant Structural Metamaterial with Negative Poisson’s Ratio Reinforced by Adding Arrow Structures”发表在《Smart Materials and Structures》期刊上。论文第一作者为中国工程物理研究院和西南交通大学联合培养的硕士研究生王杰，通讯作者为中国工程物理研究院的唐昶宇研究员和西南交通大学的许阳光副教授，中国工程物理研究院总体工程研究所的硕士研究生吴宗泽和浙江大学的肖锐研究员在研究工作的开展和论文撰写过程中提供了重要帮助。

5G毫米波通讯技术的到来促使基站滤波器朝着小型化、轻量化、形状复杂化和低介电损耗化方向发展。为了兼顾滤波器尺寸和形状设计的需要，具有适中介电常数、超低介电损耗和近零谐振频率温度系数的微波介质陶瓷已经成为毫米波通讯的首选。其中具有优异微波介电性能(介电常数：14，品质因子：150,000GHz)的Mg2TiO4微波陶瓷成为最具有代表性的材料。然而由于微波陶瓷具有较高的硬度和脆性使得高性能高精度复杂形状的Mg2TiO4陶瓷的制备和加工面临极大的挑战。为了制备出高精度复杂形状的微波陶瓷器件，基于立体光刻的微型3D打印方法受到越来越广泛的关注。近期，中南大学刘绍军课题组和河北工业大学胡宁团队的程立金老师通过面投影微立体光刻技术(microArch S240，摩方精密)成功制备了高性能高精度的Mg2TiO4微波陶瓷，并澄清了加工参数（激光功率、曝光时间和铺层厚度）对加工精度和介电性能的影响，最终制备出加工误差为16微米和品质因子为142,000GHz的Mg2TiO4微波陶瓷。该制备方法成功解决了3D打印功能陶瓷的多重问题，例如成形样品精度差，密度低和介电性能较传统成形方法低等诸多问题。同时该研究为3D打印结构和功能陶瓷的商业化应用提供了理论基础。相关成果以“Influence of layer thickness on microstructure and dielectric properties of Mg2TiO4 microwave ceramics fabricated by vat photopolymerization”为题发表在《Additive Manufacturing》期刊上。 图1面投影微立体光刻技术示意图。团队成员使用面投影微立体光刻技术(microArch S240，摩方精密)制备高性能高精度无缺陷的Mg2TiO4微波陶瓷，装置如图1所示。当曝光功率为7.7 mW/cm2和曝光时间为0.8秒时，随着铺层厚度从20微米增加到50微米，打印样品的加工误差从31微米降低到12微米。这是由于随着铺层厚度的增加，来自粉末散射紫外光的能量和固液界面反射紫外光的能量逐渐减小，如图2所示。 图2功率密度和铺层厚度对样品加工误差的影响，(a)铺层厚度对加工误差影响机理示意图，(b)和(c)功率密度和铺层厚度对打印样品过固化宽度影响。打印样品在1550摄氏度条件下烧结4小时。烧结样品密度随着铺层厚度增加逐渐增加。当样品的铺层厚度为20微米和30微米时，在样品的侧面（平行于打印方向）发现许多呈线性排列的微孔，而当铺层厚度增加到40微米和50微米时，样品侧面的微孔不仅在数量上有所减少并且不再呈线性排列，如图3所示。这说明层间界面的微观结构与铺层厚度密切相关。同时孔隙的消除与烧结过程密切相关，在烧结中期层内孔隙逐渐向层间处偏移，同时层间处的小孔隙逐渐消失，大孔隙逐渐长大。在烧结末期，位于层间处的孔隙通过体积扩散机制不断减小。当铺层厚度从20微米增加到50微米时，叠层数量减少一半以上，导致位于层间处的孔隙缺陷的数量明显减少，孔隙的减少也会促进晶粒的生长。因此烧结样品的品质因子从123,000GHz增加到142,000GHz。 图3 在1550摄氏度烧结4小时的样品侧面（平行于打印方向）的微观结构。图4 铺层厚度为20微米的样品在不同烧结条件下侧面的微观结构,(a)1000摄氏度烧结1小时，(b)1150摄氏度烧结1小时，(c)1300摄氏度烧结1小时，(d)1450摄氏度烧结1小时，(e)1550摄氏度烧结4小时，(f)1600摄氏度烧结4小时。

水凝胶是一类能保持大量水分且具生物相容性的三维结构凝胶，部分水凝胶还可对pH值、温度、电场和光有独特响应并产生物理化学结构的变化，从而在智能传感器、生物工程和软体机器人等领域广泛应用。近年来，水凝胶也开始应用于太阳能驱动的水蒸发、脱盐、水净化和消毒以及太阳能驱动的水-电-氢发电等领域。有报道指出，通过调节聚合物网络与水分子之间的相互作用，水凝胶太阳能蒸发器(SVG)可在一个阳光下(光强度约1000Wm-2)达到相当高的水蒸发速率。由于蒸发发生在水凝胶界面，合理设计蒸发材料表面微结构对于太阳能水蒸发尤为重要。为了制造出复杂三维结构的水凝胶功能器件，基于立体光刻的微型 3D 打印方法越来越受欢迎。近期，哈利法大学的张铁军教授团队提出了一种新型的三维功能化水凝胶器件制备方法。该团队利用新型微立体光刻技术(nanoArch S130，摩方精密)实现了水凝胶的高精度3D打印，并将金属盐离子引入到水凝胶单体混合物p(NIPAm-co-PEGDA)中，最终获得具有高吸光性能的含氧化铁纳米颗粒 (Fe3O4NPs)水凝胶太阳能蒸发器。该制备方法成功解决了3D打印复合材料中的多重问题，例如不均匀的颗粒分布、团聚、固化光的散射及其带来的打印质量和分辨率恶化。利用该方法制成的复合水凝胶结构表现出了优异的光吸收性能和快速毛细力水传输性能，在非聚光情况下实现了5.12kgm-2h-1的超高水蒸发率。相关成果以“Direct solar vapor generation with micro-3D printed hydrogel device”为题发表在《EcoMat》期刊上。图1. (a)基于3D打印的含金属纳米颗粒水凝胶NPH复合材料的 SVG 装置示意图。(b)在水凝胶PEGDA泡沫和互连的微通道网络内毛细力驱动的水输运。(c) 用Fe3O4纳米颗粒加强SVG蒸发表面的光吸收能力。该研究中，含金属纳米颗粒的水凝胶(NPH)太阳能水蒸发器装置如图 1(a) 所示，它包含两个主要组件：(i)3D打印的NPH各向异性结构，蒸发表面具有 Fe3O4纳米颗粒，用以增强太阳能吸收，而底部层则嵌入了使用NPH打印的互连微通道; (ii)作为毛细材料的超亲水PEGDA泡沫和微通道网络(微通道宽为250µm)。团队成员使用面投影微立体光刻技术(nanoArch S130, 摩方精密)完成器件的制备。为了通过微型 3D 打印技术制造NPH太阳能水蒸发器，该团队制备了两种打印材料配方。基础配方是一种光固化/温度响应型NPH水凝胶。一旦固化后，单体会交联产生一个微型多孔表面(孔径为 5±0.8µm)，如图 2 中的扫描电子显微镜(SEM) 图像所示。为了将Fe3O4纳米颗粒混入水凝胶交联网络中，团队首先将金属盐Fe(NO3)3和FeCl2混入水凝胶打印材料的基础配方中，打印完成后，将器件置入碱性条件下，Fe3+ 和 Fe2+会共沉淀形成Fe3O4纳米颗粒。由此，最终制备的NPH器件表面呈漆黑色，反映了薄膜较强的光吸收能力。在日常阳光照射下，该NPH器件的水蒸发速率约为5.12kgm-2h-1。这种超高的蒸汽生成率与Fe3O4纳米颗粒诱导的水凝胶网络内的润湿性转换和水活化能力有关。为了进一步研究该装置的整体稳定性，该团队还在不同强度的太阳辐射和盐水(3.5 wt% NaCl溶液)下进行了一系列实验。与最初的实验结果一致，3D打印的NPH水凝胶装置在500、1000和1500Wm-2的模拟太阳强度照射下表现出了显著的蒸发速率，分别为3.96、5.12和6.48kgm-2h-1，分别如图3所示。与先前报道的基于水凝胶的材料相比，该工作提出的NPH蒸发器表现出超高效的太阳能水蒸发能力，在太阳能污水处理和海水淡化方面具有巨大应用潜力。图2 3D打印的NPH水凝胶的微观形貌表征。(a-b)NPH水凝胶和Fe3O4纳米颗粒的低倍和高倍SEM图像。 (c)纯NPH水凝胶和具有Fe3O4纳米颗粒的NPH水凝胶的FTIR光谱。(d)NPH水凝胶内Fe3O4纳米颗粒的XRD谱。图3. (a)在120µm和1mm的薄膜厚度下，含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶的UV-Vis-NIR吸收光谱。(b)当水凝胶周围的水被加热时，用光学显微镜捕获的3D打印的NPH水凝胶的温度响应。(c)纯NPH水凝胶和含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶的接触角及其温度的影响。(d) 水在含Fe3O4颗粒的NPH水凝胶内的DSC热流信号图4. 3D打印的NPH水凝胶器件的太阳能水蒸发性能。(a-b)在非聚光情况下，3D打印的NPH水凝胶装置的水蒸发速率。(c)3D打印的NPH水凝胶装置在不同太阳强度照射下的水蒸发速率。插图为相应的红外图像，显示了太阳能吸收表面的温度分布。(d)3D打印的NPH水凝胶器件的性能稳定性实验。(e)3D打印的NPH水凝胶器件用于太阳能海水(3.5wt%NaCl水溶液)蒸发时的蒸发速率。(f)NPH水凝胶器件的蒸发速率与已有文献报道的数值比较。

血栓症是一种常见的血管内疾病，具有多种临床表现和并发症，例如心梗、中风及肺栓塞等，严重危害病人的生命健康及生活质量。传统治疗方案常先通过注射溶栓药物或导管介入技术去除血栓，接着使用抗凝药物预防二次堵塞。然而溶栓药物缺乏靶向性，无法主动在血栓部位富集，且高浓度的药物易引发内出血和血压波动，因此难以高效安全地完成去除血栓的任务。导管介入技术则对操作者的经验和判断能力要求较高，操作不当容易损伤血管，甚至造成二次堵塞。近年来，小尺度机器人系统在狭窄闭塞的生物环境中展现出令人瞩目的应用前景，已有研究人员开发出可破坏血栓结构的微型机器人。然而，如何在动态血流环境中实现小尺度机器人的可控靶向递送和实时状态监测仍是一个巨大挑战，这极大地限制了它们在血栓治疗中的进一步应用。近日，香港中文大学张立教授课题组王乾乾博士、杜星洲博士、金东东博士提出一种基于小尺度机器人的血栓定位及加速溶栓方案。螺旋形微机器人采用3D打印工艺制造，采用动态磁场进行自动化递送，同时采用超声成像进行实时的机器人定位及环境监测。机器人能够实时定位血栓位置，并加速血栓的溶解。这项研究有望为血栓症的监测和治疗提供新的思路，同时也为小尺度机器人在生物医学领域的应用开辟道路。相关研究结果以“Real-Time Ultrasound Doppler Tracking and Autonomous Navigation of a Miniature Helical Robot for Accelerating Thrombolysis in Dynamic Blood Flow”为题发表于国际著名期刊《ACS Nano》。该工作使用面投影微立体光刻技术(nanoArch S130, 摩方精密)打印了螺旋形微机器人，并预留磁性物质的嵌入空间。微机器人整体结构采用摩方精密提供的polyethylene glycol diacrylate(PEGDA)材料，机器人尺寸为直径2.15 mm、长度7.30 mm。实验结果显示，螺旋形机器人在血液环境及血流环境中表现出极好的结构稳定性，在溶除血栓任务结束后能保持完成的整体结构并被回收。该打印设计方案可根据需求进行尺寸缩放，以期应用于不同的狭窄生物环境中。在机器人系统搭建完成后，研究人员在测试平台中验证了医学图像引导机器人递送、溶栓方案的可行性。通过实时监测机器人的运动状态以及机器人诱导产生的多普勒超声信号，研究人员在类血管复杂动态环境中成功实现血栓堵塞部位的定位。机器人在磁场驱动下能够产生强对流加速溶栓因子的物质交换，同时对血液-血栓界面施加剪切力促进溶栓产物的去除。实验结果表明，相对于单纯使用溶栓药剂，该方案可大幅提高血管的疏通效率(约4倍)，完全溶栓率提高至350%，且不产生明显的血栓碎片，降低了二次堵塞的风险。配合不同尺寸的小尺度机器人，该方案可根据需要应用于不同直径的血管中，有望为外场驱动的小尺度机器人在生物医学领域的应用提供新的思路。图1.螺旋形机器人在动态、类血管环境中的自动化导航整体方案图2.螺旋形机器人在血流环境中的受力分析及磁控。图3.  机器人诱导的多普勒信号的仿真分析及实验验证。图4. 机器人在类血管系统中的自动化导航(逆流而上及顺流而下)及实时定位。图5. 多普勒信号引导的血栓定位及加速溶栓应用。

基于抗体抗原“特异性结合”的免疫分析已被广泛用于实验室研究和临床诊断中。其中，酶联免疫吸附试验(ELISA)是一种经典且功能强大的生化传感技术，可通过生物酶反应和化学比色法对超低浓度分析物进行定量。ELISA已广泛应用于医疗诊断、环境分析和食品安全等领域。然而，在传统ELISA检测中，抗原或抗体被包覆到多孔板(例如，96孔板)的孔壁上，这导致了三个主要缺点：(ⅰ) 由于所有步骤都在同一槽内进行，因此在每步反应前后需要多次清洗，以去除未结合的残留试剂和非特异性相互作用的分子，这给检测人员造成了繁重的体力劳动;(ⅱ) 此外，由于操作中存在的差异性也可能为检测结果带来误差。(ⅲ)检测物与抗原抗体是通过被动的扩散来实现结合，因此传统的ELISA检测需要较长的孵育时间。以上原因都造成了传统ELISA检测效率低的问题。近日，哈尔滨工业大学马星课题组提出了棒状磁驱动纳米机器人(MNR)作为可操作的免疫分析探针，实现自动高效的ELISA分析方法，称为纳米机器人激活ELISA(nR-ELISA)。为了制备MNR，研究人员利用外部磁场辅助实现Fe3O4磁性颗粒的自组装以及在其表层原位生长一层刚性氧化硅(SiO2)。紧接着将捕获抗体(Ab1)通过法学法修饰到其表面，最终成功制备了磁性可操作免疫分析探针(MNR-Ab1)。通过数值模拟研究了微尺度下MNR周围的流体速度分布，并通过实验结果验证了主动旋转MNR能够提高混合效率。为了使传统的ELISA检测过程实现自动化，研究人员通过三维打印设计并使用面投影微立体光刻技术(nanoArch P150, 摩方精密)制造了一个由三个功能槽组成的检测单元。MNR-Ab1在外部磁场的作用下，通过微通道实现在不同的功能槽间运动，参与不同的阶段的生化反应。主动旋转的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通过加速物质交换实现抗原/抗体与待检测物的快速结合，从而达到缩短培养时间的目的。该工作实现了ELISA检测的自动化。在未来，为了实现ELISA的高通量检测，研究人员拟采用亥姆霍兹线圈来替代目前磁场发生器。并且通过数值模拟的方法证明了：亥姆霍兹线圈不仅可以提供足够大的操作空间，同时空间内的磁场偏差较小(图1 磁性纳米机器人实现了自动化和高效的ELISA(nR ELISA)分析示意图。图2 MNR的制备和运动特性表征。图3 MNRs实现了自动化ELISA检测。采用摩方精密P150面投影微立体光刻技术打印了检测单元。如图b所示，微通道的狭缝宽度为200 μm，狭缝间距为300 μm。文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05267

基于抗体抗原“特异性结合”的免疫分析已被广泛用于实验室研究和临床诊断中。其中，酶联免疫吸附试验(ELISA)是一种经典且功能强大的生化传感技术，可通过生物酶反应和化学比色法对超低浓度分析物进行定量。ELISA已广泛应用于医疗诊断、环境分析和食品安全等领域。然而，在传统ELISA检测中，抗原或抗体被包覆到多孔板(例如，96孔板)的孔壁上，这导致了三个主要缺点：(ⅰ) 由于所有步骤都在同一槽内进行，因此在每步反应前后需要多次清洗，以去除未结合的残留试剂和非特异性相互作用的分子，这给检测人员造成了繁重的体力劳动;(ⅱ) 此外，由于操作中存在的差异性也可能为检测结果带来误差。(ⅲ)检测物与抗原抗体是通过被动的扩散来实现结合，因此传统的ELISA检测需要较长的孵育时间。以上原因都造成了传统ELISA检测效率低的问题。近日，哈尔滨工业大学马星课题组提出了棒状磁驱动纳米机器人(MNR)作为可操作的免疫分析探针，实现自动高效的ELISA分析方法，称为纳米机器人激活ELISA(nR-ELISA)。为了制备MNR，研究人员利用外部磁场辅助实现Fe3O4磁性颗粒的自组装以及在其表层原位生长一层刚性氧化硅(SiO2)。紧接着将捕获抗体(Ab1)通过法学法修饰到其表面，最终成功制备了磁性可操作免疫分析探针(MNR-Ab1)。通过数值模拟研究了微尺度下MNR周围的流体速度分布，并通过实验结果验证了主动旋转MNR能够提高混合效率。为了使传统的ELISA检测过程实现自动化，研究人员通过三维打印设计并使用面投影微立体光刻技术(nanoArch P150, 摩方精密)制造了一个由三个功能槽组成的检测单元。MNR-Ab1在外部磁场的作用下，通过微通道实现在不同的功能槽间运动，参与不同的阶段的生化反应。主动旋转的MNR-Ab1s可以在微尺度下，通过加速物质交换实现抗原/抗体与待检测物的快速结合，从而达到缩短培养时间的目的。该工作实现了ELISA检测的自动化。在未来，为了实现ELISA的高通量检测，研究人员拟采用亥姆霍兹线圈来替代目前磁场发生器。并且通过数值模拟的方法证明了：亥姆霍兹线圈不仅可以提供足够大的操作空间，同时空间内的磁场偏差较小(图1 磁性纳米机器人实现了自动化和高效的ELISA(nR ELISA)分析示意图。图2 MNR的制备和运动特性表征。图3 MNRs实现了自动化ELISA检测。采用摩方精密P150面投影微立体光刻技术打印了检测单元。如图b所示，微通道的狭缝宽度为200 μm，狭缝间距为300 μm。文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05267

镓基液态金属（LM）由于其优异的金属导电性以及室温流动性特点，被认为在柔性电子领域具有广泛的应用前景。基于镓基LM材料，目前已成功开发出各类柔性电子器件，如可穿戴传感器、柔性电容器、柔性电感器以及柔性变阻器等。LM柔性器件的集成性和可靠性一直以来是该领域的研究热点，其中3D柔性电子被普遍认为是提高集成性的有效解决方案之一。然而，液态金属的流动性是一把双刃剑，虽然它为LM柔性器件提供了优异的可变形性，但同时给3D结构柔性电路的制备带来了巨大挑战。目前报道的3D打印、冷冻打印、通道填充等方法在复杂3D结构电路的制备、工艺成本以及功能性芯片的集成等方面仍存在不足。近期，哈尔滨工业大学（深圳）马星教授联合中科院深圳先进技术研究院刘志远研究员，提出了一种通过将镓基液态金属转变为固态并通过塑性变形制备复杂3D结构柔性导体的方法。作者基于金属材料的合金化及相关理论，着重考量材料的相变温度、机械强度和塑性加工性能，筛选出Ga-10In作为3D柔性电子制备的基础材料。固体Ga-10In的高塑性特点允许通过机械弯曲、缠绕等方式制备复杂3D结构导体，在熔点以下温度将3D导体与功能芯片连接并使用硅胶封装后，熔点以上温度加热(>22.7 °C)便可使Ga-10In熔化并恢复其流动性。此外由于过冷效应，Ga-10In导体可以在低于熔点的一定的温度范围内保持液态，保证了柔性电子器件的服役温度区间。为证明该方案的实用性，作者设计了具有超高灵敏度的3D应变传感器、由3D跳线导体构成的二极管 (LED) 阵列以及由3D螺旋结构的可穿戴传感器和多层柔性电路板组成的手指动作监测装置。相关工作以“Three-dimensional flexible electronics using solidified liquid metal with regulated plasticity”为题发表于电子领域权威期刊《Nature Electronics》，2019级博士生李国强同学为该论文第一作者。在本项研究中，由摩方精密25 μm精度的nanoArch P150设备3D打印的高精度模具，为制备2D应变传感电路和3D拱形跳线提供了精密支持。图1：基于可调塑性的凝固态液态金属的3D柔性电子简介说明。(a) 液态的Ga-10In转变为固态的片状和棒状示意图；(b) 塑性变形能力对比；(c) Ga-10In低温拉伸性能；(d) Ga-10In相变性能测试；(e) 基于该方案制备的3D柔性电子。图2：Ga-In合金材料表征及性能测试。(a) 凝固态Ga-10In显微组织；(b) Ga-In合金中A6相体积分数于In元素含量的关系；(c) Ga-10In和Ga-15In显微组织表征；(d) Ga-10In拉伸样断口附近显微组织表征；(e) Ga-In合金力学性能测试；(f) 图(e)对应的屈服强度和延伸率；(g) Ga-In合金相变测试；(h) Ga-In合金熔点与In元素含量的关系。图3：2D应变传感器的电力性能测试及3D高灵敏度应变传感器设计。(a) 2D应变传感器电阻-应变关系；(b) 2D应变传感器平均GF值与应变的关系；(c) 2D应变传感器横向及纵向拉伸性能测试；(d) 3D应变传感器照片及其性能；(e) 3D应变传感器挤压位置的CT微观表征；(f) 与已报道LM应变传感器的灵敏度对比。 图4：Ga-10In 3D拱形导体及其LED柔性阵列应用。(a) 熔化前后拱形Ga-10In导体图像；(b) LED阵列示意图；(c) LED阵列电流-电压性能测试；(d) 控制装置和LED阵列电路图；(e) 控制系统和LED柔性阵列照片；(f) LED阵列动态弯曲图像。图5：3D结构的可穿戴手指动作监测柔性装置。(a) 装置示意图；(b) 3D柔性传感器及其变形性能；(c) 3D柔性传感器的手指动作传感测试；(d) 3D传感器疲劳性能测试；(e) 3D柔性电路板俯视图像；(f, g) 3D垂直电路图像；(h) 该柔性装置的手指动作测试。通过凝固态Ga-10In液态金属的塑性变形制备复杂结构3D柔性导体具有显著优势，但作者表示，该3D柔性电子制备方案目前在导电线径、柔性器件制备效率、以及自动化制造设备等方面仍存在限制。

亿万年的进化赋予了天然生物材料（如骨骼、树木）极其精妙的多级、多尺度结构。得益于此，即使其基本构筑单元的种类有限且性能平平，此类生物材料仍表现出一系列优异性能和复杂功能，因此也成为科研界开发具有卓越性能及功能的先进材料的灵感来源。随着纳米技术的发展，研究人员已通过自组装、模板导向及3D打印等方法制备出了多种具有多级结构的仿生材料。然而，对于多级结构的控制往往局限于宏观或微观尺度范围内，而涵盖纳米到宏观尺度的多级结构的可控制备鲜有工具。近日，清华大学深圳国际研究生院丘陵副教授与成会明院士课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202105879）。该文章提出了一种基于3D打印模板引导组装的方法，以石墨烯为基本构筑单元，实现了多尺度多级结构的精确制备。该方法结合了数字光处理（DLP）3D打印对介观到宏观尺度结构的精细定制能力以及石墨烯可控自组装对纳米到微米尺度结构的调控能力，从而实现了特征尺寸由纳米至厘米跨越七个数量级的多级结构控制。该方法可以拓展到其他二维材料以及陶瓷材料的多级结构的制备，为多尺度可设计结构的制备提供新思路。实验结果表明，通过对于多级结构的合理设计，可以赋予三维石墨烯宏观体一系列优异的性质。例如，通过不同尺度范围内有序结构的组装，使制备出的石墨烯结构具有超高模量（高于其他超轻多孔材料10倍以上）及超弹性（可由95%的压缩应变完全恢复）等优异力学性能。此外，具有高机械强度及精巧设计的石墨烯结构可实现破纪录的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空气密度的1/15）、超高的有机溶剂吸收能力（可吸收高达自身重量2060倍的氯仿）以及高电导率等特性。图1多尺度石墨烯结构的制备流程及高自由度结构设计 图2 不同尺度下的多级结构特征图3可定制的力学行为：(a,c)高刚度；(b,d)超弹性 图4 多尺度石墨烯结构的多样化应用：(a-b)超轻高模量材料；(c)超高有机溶剂吸收能力；(d)作为模板实现功能材料的复杂多级结构制备（左至右：氧化钛、二硫化钼/石墨烯、氧化铝） 原文链接：Zhou, J., Wu, X., Chen, Y., Yang, C., Yang, R., Tan, J., Liu, Y., Qiu, L., Cheng, H.-M., 3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures. Adv. Funct. Mater. 2022, 2105879.https://doi.org/10.1002/adfm.202105879文章转载自：化学与材料科学，转载目的在于传递更多信息，如涉及作品内容、版权或其它问题，请于我司联系，我们将在第一时间删除内容！官网：https://www.bmftec.cn/links/10

金属三维微结构由于其具有的独特的光学、热学、磁学、电子学和催化特性，在微机电系统（MEMS）、集成电路、高频电子、光电子、小型飞行器和支架等微尺度系统、微流体和微型机器人等领域具有极大的应用潜力。尽管存在用于制造宏观尺度三维金属结构的成熟技术，但到了微观尺度时，现有技术都较难实现。因此目前，先进行聚合物打印，以创建复杂的微 3D 结构，而后在结构表面镀一层金属这一方法引起了大家的兴趣。相比于传统的金属打印样品，3D 金属-聚合物复合功能器件具有更复杂、精密的结构，更轻的重量，以及更高的设计自由度和更高的集成度。近期，南洋理工大学的Hirotaka Sato教授团队，王一凡教授团队以及早稻田大学的Shinjiro Umezu教授团队合作提出了一种新型的金属-聚合物微尺度三维结构的制造方法。该方法采用将催化剂前体加载到光固化树脂中的方法，利用新型微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密)进行复杂结构的高精度3D打印，并使用NaOH 溶液对打印样品进行预处理，以增加催化剂前体 [Pd(II)] 的存在，便于后续将金属化学镀(ELD)到打印样品上。 与传统工艺相比，该工艺更加安全环保，并且耗时更少，同时更加便宜。此外，此方法还可以实现金属的多层沉积以获得具有所需特性组合的多功能结构。该制造方法克服了传统化学镀工艺的瓶颈，例如进行预处理时对有毒化学品的使用。相关成果以“Modified polymer 3D printing enables the formation of functionalized micro-metallic architectures”为题发表在《Additive Manufacturing》期刊上。 图 1：使用 BMF microArch S140 3D 打印机对金属-聚合物混合微结构进行 3D 打印。a) PµSL技术示意图。b) 基于 PµSL 技术的微结构3D 打印过程 i) CAD 建模 ii) 切片 iii) PµSL 3D 打印 iv) 最终样品。c) 用于金属-聚合物混合微结构的化学镀工艺。微尺度金属三维结构的制造过程主要分为两个步骤：(i) 微尺度结构的PµSL打印。(2) 对打印样品表面的化学镀。团队成员使用面投影微立体光刻技术 (nanoArch S140, 摩方精密) 完成器件的制备。化学镀的流程如图1(c)所示。 (1) 用酒精以及去离子水清洗使用催化剂树脂打印的样品 (2) 将样品浸入 50 ºC 的 0.2 M NaOH 中 30 分钟以便于树脂的开环，使 Pd2+活跃在样品表面。 (3) 用去离子水清洗样品上多余的NaOH。(4) 将样品浸入NaH₂PO₂溶液中，50℃搅拌15分钟，使Pd (II)还原为Pd。(5) 重复去离子水清洗 (6) 将样品进行Ni-P/Cu 或Co-P 化学镀浴。(7) 用去离子水洗涤样品并吹干。为了通过微型 3D 打印技术制造微尺度结构，上述团队进行了打印材料配方的优化。基础配方是一种水洗光敏树脂。在不同的溶剂和条件下制备不同的PdCl2催化剂树脂，并将其放置5小时，通过观察是否有明显的沉淀现象产生，验证其稳定性。而后改变PdCl2浓度，研究其对催化剂树脂稳定性的影响（如图2所示）。结果显示，使用 0.7 M NH4Cl制备的 PdCl2催化剂树脂具有良好的稳定性，可打印精度达50µm的微尺度结构。本研究在化学镀方法上有了很大改进，可以摆脱传统对于有毒化学药品的使用，同时均匀地将Ni、Cu、Co等金属镀在复杂三维微结构上，展现了在微电子、微型机器人等领域的巨大应用潜力。图 2：在不同 PdCl2 浓度条件下制备的催化剂树脂的稳定性。a) 在 0.7M NH4Cl 中用不同浓度的 Pd(II) 制备的催化剂树脂，以研究 Pd(II) 浓度对催化剂树脂稳定性的影响，i) 不同的 Pd(II) 溶液，ii) 催化剂树脂混合物b )相同Pd(II)浓度下，不同老化时间的催化剂树脂。 图 3：a) 树脂与打印机参数测试。b) 打印试样化学镀测试。c) 3D 打印微观结构精度比较 i) 水洗树脂和 ii) 催化剂树脂。 图 4：a) 树脂环断裂的碱性水解机理。b) 化学镀工艺优化。c) 化学镀 3D 打印结构。i) 镀铜立方体 ii) 镀镍网格立方体 iii) 镀钴齿轮 iv)镀镍迷你轮。 图 5：微尺度3D打印化学镀的应用。磁性微尺度机器人的运动 a) 研究中使用的局部和全局坐标系示意图 b) 绕 局部坐标系x 轴旋转以沿全局坐标系x 方向滚动 c) 绕局部坐标系 y 轴旋转 d) 沿局部坐标系 i) x 轴 ii) y 轴和 iii) z 轴移动。