近日，华东师范大学通信与电子工程学院/集成电路学院郁哲助理研究员与韩国科学技术院（KAIST）应邬彬副教授在材料科学领域国际顶级期刊《Journal of Materials Chemistry A》发表题为 “Multiple artificial mechanoreceptor-embedded waterproof ciliated E-skin via direct-ink-writing vertically 3D printing toward health management of seafarers” 的高水平研究论文（DOI: 10.1039/d5ta04906g）。在该研究中，森工科技研发生产的AutoBio1000 3D打印机高效的完成了高纵横比微纤毛的垂直 3D 打印制备环节，为新型防水纤毛电子皮肤（WCES）的性能突破提供了核心技术支撑。

一、科研背景：海事环境下的健康监测难题亟待突破

全球 80% 以上的跨境贸易依赖海运，船员长期处于密闭、高湿的船舶环境中，易出现血压异常、循环障碍、自主神经系统功能紊乱等健康问题。然而，传统可穿戴传感器在高湿环境下常因湿气会引起信号不稳定，难以实现持续生理监测；现有防水型电子皮肤（E-skin）又多存在灵敏度低、制备复杂等瓶颈，无法满足海事场景的实用需求。为解决这一痛点，华师大&韩国KAIST团队创新性地从人体皮肤表皮毛发与机械感受器的结构功能中汲取灵感，提出 “垂直 3D 打印微纤毛 + 嵌入式人工机械感受器” 的协同设计方案，而森工 AutoBio1000 3D打印机凭借精准的挤出控制与工艺兼容性，成为实现这一设计的关键设备支撑。

 概念图1：表皮毛发和微纤毛阵列示意图。（a）表皮毛发及其与真皮中多个机械感受器（如快适应感受器和慢适应感受器）相互作用的示意图。（b）基于嵌入炭黑（CB）和离子液体（IL）的聚氨酯（PU）基质的防水纤毛电子皮肤（WCES）的设计原理。在压力作用下，炭黑的颗粒滑动和离子液体中的离子迁移分别模拟快适应感受器和慢适应感受器的反应。使用挥发性溶剂将聚氨酯复合材料配制成高屈服应力墨水，通过基于挤出的直接墨水书写技术实现微纤毛的垂直3D打印，在此过程中，溶剂的快速蒸发会在表面产生稳定性。

二、核心突破：森工AutoBio1000 3D打印机赋能高性能 WCES 制备

1. 攻克高长径比微纤毛打印技术难题

微纤毛是 WCES 实现防水与高灵敏度的核心结构 —— 其暴露部分可形成疏水保护层，嵌入部分则能传递机械信号。但传统直写 3D 打印（DIW）受限于墨水流变特性，难以制备垂直取向、高长径比（H/F）的微纤毛结构。团队通过优化墨水配方（以聚氨酯 PU 为基体，添加炭黑 CB、离子液体 IL 及挥发性溶剂 DMF），并利用森工AutoBio1000 3D打印机的精准参数调控功能，成功实现微纤毛的垂直 3D 打印。最终制备的微纤毛纵横比达 3.55，且在打印过程中因溶剂快速蒸发形成稳定外壳，避免结构坍塌，为 WCES 的性能奠定基础。

图1：不同材料制成的薄膜的特性以及微纤毛的打印工艺。(a) 不同材料制成的薄膜在压力下的电响应。(b) 由PU、CB和IL制成的薄膜在不同加载条件下的阻抗奈奎斯特图。(c) 不同油墨垂直3D打印微纤毛过程中关键时刻的照片。从左到右，油墨的CB含量分别为35 wt%、40 wt%和45 wt%。(d) 三种油墨样品的流变特性。实线和虚线分别代表储能模量（G'）和损耗模量（G''）。(e) 油墨样品的表观粘度（h）与剪切速率的函数关系.

2. 助力实现 “防水 + 高灵敏” 双重优势

依托 AutoBio1000 3D打印的微纤毛阵列WCES 展现出卓越性能：

超强防水性：微纤毛结构使材料水接触角从 41.3° 提升至 113.7°，形成微米级空气隔离层，水滴可沿表面滚落，浸泡于海水（5% NaCl 溶液）、茶、果汁等溶液后，信号衰减率最高仅 7.75%；

超高灵敏度：通过微纤毛的应力集中效应，结合 CB（模拟快速适应感受器 FA-R）与 IL（模拟慢速适应感受器 SA-R）的双模机械转导，WCES 在 0-10 kPa 压力范围内灵敏度达 14.9 kPa⁻¹，远超现有防水传感器（0.001-1 kPa⁻¹）；

优异稳定性：经 10000 次压力循环测试、6 天加速老化测试（模拟半年自然暴露）后，仍保持稳定的电学性能与机械性能，断裂韧性达 1.96 MJ/m³。

图2： WCES的微观结构和电学性能。（a）垂直打印的微纤毛阵列照片。比例尺为5毫米。插图是阵列的光学显微镜图像，比例尺为1毫米。（b）单个微纤毛的SEM图像以及通过EDS扫描得到的相应元素分布图像。左侧SEM图像和放大后的SEM图像的比例尺分别为300微米和20微米。（c）在薄膜表面打印微纤毛阵列前后的水接触角测量照片。（d）水滴在带有微纤毛阵列的薄膜表面滚动的测试照片。（e）具有不同密度微纤毛阵列的WCES的压力依赖性电响应谱。（f）具有5×5微纤毛阵列的WCES在不同压力范围内的线性灵敏度。（g）本研究中垂直打印的WCES（红色）与其他已报道的防水传感器（蓝色）和传统传感器（紫色）的灵敏度比较。（h）WCES的灵敏度随在不同溶液中浸泡时间的变化。（i）加速老化试验前后样品的ATR-FTIR光谱。

图 3 水合碳电极传感器（WCES）浸泡前后其他传感性能的变化，包括动态范围（DH）（a）、重现性（b 和 c）、响应时间（RT）（d）和检测限（LoD）（e）。（f）水合碳电极传感器（WCES）浸泡前后经过 10000 次循环的稳定性测试结果。（g）通过有限元分析得到的 100 千帕压力下微纤毛的应力分布。（h）显示压力加载 - 卸载过程中微纤毛过载情况的照片。

三、实际应用：海事健康监测系统落地可期

基于 AutoBio1000 制备的 WCES，团队进一步构建了船员健康管理系统：在 80% 相对湿度环境中，将 WCES 贴附于颈动脉处，可清晰捕捉脉搏信号（含 3 个特征峰），并结合随机森林（RF）机器学习模型对不同生理状态（静坐、行走、慢跑）下的脉搏信号进行分类，识别准确率高达 97.58%。

这一系统可实时监测船员心率变化，及时预警健康风险，为解决海上医疗诊断滞后问题提供了创新方案，也为高性能电子皮肤在海事、水下作业等极端环境中的应用开辟了新路径。

图4 WCES在健康监测领域的应用。（a）基于WCES的海员健康管理系统示意图。（b）WCES检测到的三名志愿者在坐着、走路和慢跑状态下的脉搏信号。（c）主成分分析（PCA）降维后的随机森林（RF）分类可视化。（d）在随机森林（RF）模型训练下，不同脉搏信号的识别准确率随迭代次数的变化。（e）训练70次迭代后的混淆矩阵

四、设备价值：森工科技赋能科研创新

AutoBio1000为深圳森工科技有限公司科研3D打印设备AutoBio系列中的专业版配置，采用DIW墨水直写3D打印成型技术。凭借 “高兼容性、高精度、高稳定性” 的核心优势，已成为材料科学、柔性电子、生物医学等领域科研团队的重要工具。其支持多种墨水体系（如聚合物、复合材料、生物墨水等）的挤出成型，可精准调控打印参数、可进行多模态拓展升级，实现从平面到立体、从微米到毫米级结构的高效制备，为科研创新提供了灵活、可靠的设备保障。

此次，华师大&韩国KAIST联合科研团队的研究成果，再次印证了森工科技在科研装备领域的技术实力，也彰显了 “设备 - 科研” 协同创新对推动学科发展的重要意义。未来，森工科技将继续努力为更多科研团队提供优质设备与技术服务，助力更多高水平成果落地！