近年來(lái)，3D打印技術(shù)以其獨(dú)特的特點(diǎn)在制造領(lǐng)域取得了巨大的突破。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印具有成本低、制造時(shí)間短、材料組合多樣性以及獨(dú)特產(chǎn)品設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)。不同的3D打印材料包括聚合物、金屬、陶瓷和水凝膠，具有各自獨(dú)特的特性和應(yīng)用。柔性傳感器作為一種新型傳感器，由柔性材料制成，具有自由彎曲和延展性。食品健康與全人類(lèi)的飲食健康息息相關(guān)，食品監(jiān)測(cè)的重要性日益凸顯。傳感器作為食品工業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵手段，被廣泛應(yīng)用。結(jié)合3D打印技術(shù)和柔性傳感器的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)食品監(jiān)測(cè)的智能化和靈活性。這種結(jié)合將推動(dòng)食品健康領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，提高食品質(zhì)量控制和食品安全監(jiān)測(cè)的水平。通過(guò)使用3D打印技術(shù)制造柔性傳感器，可以簡(jiǎn)化制造過(guò)程并實(shí)現(xiàn)材料多樣性。結(jié)合這兩種技術(shù)，可以為食品健康領(lǐng)域提供全新的解決方案，并促進(jìn)食品質(zhì)量控制與安全監(jiān)測(cè)的發(fā)展。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)肖新清副教授課題組提出3D打印的柔性傳感器在食品分析監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有靈活適應(yīng)性和高靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和準(zhǔn)確檢測(cè)，為食品安全提供成本效益的解決方案。分析了3D打印工藝在柔性傳感器制造中的優(yōu)勢(shì)，并介紹了3D打印材料和水凝膠材料在柔性傳感器制造中的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)食品監(jiān)測(cè)應(yīng)用，詳細(xì)討論了對(duì)食品的氣體，微生物和非氣態(tài)化合物的監(jiān)測(cè)，并分析了各應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)和場(chǎng)景。

★ 文章解析

1. 用于柔性傳感器的 3D 打印技術(shù)

噴墨打印和氣溶膠噴射是3D打印的兩種方法。在制作柔性傳感器時(shí)，噴墨打印制作柔性傳感器的導(dǎo)電電極。氣溶膠噴射則可以用于制作柔性傳感器的敏感材料層。常見(jiàn)的3D打印方法包括多射流融合（MJF），熔融沉積建模（FDM），直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），電子束熔化（EBM），數(shù)字光處理（DLP）和直接墨水書(shū)寫(xiě)（DIW）。其中，MJF、DMLS和EBM在柔性傳感器應(yīng)用中使用較少。這三種3D打印技術(shù)通常會(huì)產(chǎn)生更硬，更厚的零件，難以滿(mǎn)足柔性傳感器的特定要求。FDM、DIW 、SLA和 DLP 在柔性傳感器的制造中更為常見(jiàn)和流行。如圖1所示為這四種打印工藝的流程及應(yīng)用。如圖2所示是3D打印流程圖，總結(jié)了3D打印的一般工藝流程。

圖1：四種印刷工藝應(yīng)用

圖2顯示了EMG和TENG的發(fā)電原理以及激光燒蝕的原理，并在Comsol中模擬了發(fā)電過(guò)程和激光燒蝕過(guò)程。Comsol中 2 對(duì)圓形永磁體的磁標(biāo)量電位分布的有限元仿真結(jié)果如圖 2 a 所示。結(jié)果表明：每對(duì)磁體具有相同的磁電勢(shì)分布，磁電勢(shì)沿圓形磁體的徑向逐漸減小，在邊緣附近消失至零;圖2 b顯示了EMG的發(fā)電原理：由于電磁感應(yīng)，當(dāng)磁體沿一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，EMG中的銅線(xiàn)圈將產(chǎn)生交流感應(yīng)電流。圖2c是獨(dú)立模式TENG的Comsol模型，顯示了不同滑動(dòng)位移下電極對(duì)上的電位分布。在單個(gè)循環(huán)中，隨著滑動(dòng)距離的增加，電極之間的電位差逐漸增加。TENG的原理如圖2d所示，分為三種狀態(tài)：初始狀態(tài)I，中間狀態(tài)II和最終狀態(tài)III。這三種狀態(tài)構(gòu)成了當(dāng)前一代的完整循環(huán)。圖2g說(shuō)明了Cu電路的激光燒蝕原理。紫外（UV）激光打標(biāo)機(jī)包括PC、紫外納秒激光器、工業(yè)冷卻器和振鏡。工業(yè)冷卻機(jī)直接作用于紫外納秒激光器，在整個(gè)過(guò)程中保持低溫。激光波長(zhǎng)為15ns，激光束的脈沖寬度約為355nm。當(dāng)激光作用在Cu膜上時(shí)，Cu被剝離并迅速升華。通過(guò)燒蝕PI/Cu薄膜獲得柔性Cu電路。在不同功率下，激光燒蝕深度隨速度變化具有較強(qiáng)的線(xiàn)性變化。圖7e–f顯示了兩次消融后的模擬形態(tài)。反復(fù)燒蝕后，Cu幾乎完全蝕刻，殘留的Cu失去導(dǎo)電能力，形成理想電路并表現(xiàn)出良好的柔韌性。

圖 2：3D打印制造過(guò)程

除此之外，3D生物打印是一種新興的生物制造技術(shù)，是傳統(tǒng)3D打印與生物學(xué)相結(jié)合的新領(lǐng)域，是一種特殊的3D打印技術(shù)。制造的柔性傳感器具有更高的生物相容性和生物學(xué)可及性，可以更好地適應(yīng)環(huán)境變化和人體的生理狀態(tài)，從而進(jìn)行更好的探索和生物學(xué)研究。生物3D打印技術(shù)還允許高精度和高分辨率打印，從而可以在小型和精細(xì)傳感器中實(shí)現(xiàn)更高的精度和控制。如圖3所示是生物3D打印示意圖, 生物3D打印最常用的打印方法有三種：噴墨生物打印，微擠出成型生物打印和激光輔助生物打印。如圖4所示，顯示了三種類(lèi)型的生物3D打印。

圖 3：生物3D打印示意圖

圖 4：三種類(lèi)型的生物打印

2. 用于柔性傳感器的 3D 打印材料

目前，用于利用3D打印技術(shù)制造柔性傳感器的材料主要包括高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等。此外，還有適合生物3D打印的水凝膠材料。如圖5所示為各材料性能。這些材料具有出色的可重復(fù)性、適應(yīng)性和可定制性。它可以制造任意復(fù)雜的形狀，這是制造柔性傳感器的理想選擇。

（1）高分子材料

作為當(dāng)今使用最廣泛的一類(lèi)3D打印材料，在制造柔性傳感器時(shí)常用熱塑性彈性體，聚合物復(fù)合材料等。這種聚合物的主要特性是其優(yōu)異的柔韌性和彈性，以及一定的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度。這使得彈性聚合物成為制造柔性傳感器的常見(jiàn)選擇之一。

（2）金屬材料

金屬材料的強(qiáng)度和耐磨性通常高于塑料和纖維材料，因此在柔性傳感器制造中具有廣泛的應(yīng)用。使用金屬材料制造柔性傳感器的過(guò)程通常采用電化學(xué)沉積技術(shù)。該技術(shù)可以通過(guò)將一層金屬沉積到薄聚合物基板上以產(chǎn)生薄而靈活的金屬膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。金屬材料也可用于3D打印金屬顆粒以制造柔性傳感器。通過(guò)添加銅和鐵等金屬顆粒或帶有各種高強(qiáng)度金屬纖維的印刷材料，可以制造出具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性和高抗水蒸發(fā)性的柔性傳感器

（3）陶瓷材料

陶瓷材料是特殊的無(wú)機(jī)材料，具有高強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性以及良好的耐腐蝕性、保護(hù)和生物醫(yī)學(xué)可接受性，這使得它們有望在制造柔性傳感器的 3D 打印中得到廣泛的應(yīng)用。陶瓷材料可用于通過(guò)快速燒結(jié)技術(shù)可以輕松制造各種形狀的傳感器，并且具有能夠通過(guò)熱處理增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。此外，陶瓷材料可以通過(guò)控制成分、微觀(guān)結(jié)構(gòu)和其他方面來(lái)優(yōu)化柔性傳感器，以實(shí)現(xiàn)各種性能修改。陶瓷材料的高硬度和韌性可以通過(guò)同時(shí)抑制晶粒生長(zhǎng)和施加晶界硬度來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻尼和導(dǎo)電性等特殊性能也可以通過(guò)選擇合適的添加劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（4）水凝膠

水凝膠具有柔韌性和透明度等特性，可以通過(guò)3D打印技術(shù)精確制造任意形狀。水凝膠還具有高水平的生物相容性，這使得它們?cè)?D打印生物材料中尤為重要。通過(guò)利用這些特性，我們可以創(chuàng)建更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的柔性傳感器，為各種應(yīng)用帶來(lái)重要價(jià)值。水凝膠的吸附特性可使所制造傳感器能對(duì)食品中化學(xué)成分監(jiān)測(cè)，在其表面引入生物感受器也可對(duì)食品中細(xì)菌、霉菌等微生物的檢測(cè)，有助于食品安全管理和細(xì)菌污染的預(yù)防。

圖 5：不同材料性能

3. 在食品監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，有許多食品分析和監(jiān)測(cè)方法。一種是感官監(jiān)測(cè)方法，用于評(píng)估食物的質(zhì)量特征。第二種是物理監(jiān)測(cè)法，通過(guò)測(cè)量物理量來(lái)了解食物的組織組成和含量。第三種是化學(xué)分析法，通過(guò)對(duì)食物組織成分的化學(xué)性質(zhì)作為分析的基礎(chǔ)。第四種是儀器監(jiān)測(cè)法，又稱(chēng)理化監(jiān)測(cè)法，它是根據(jù)食品的理化性質(zhì)，利用精密的分析儀器和各種傳感器進(jìn)行食品監(jiān)測(cè)，具有簡(jiǎn)便、靈敏、速度、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。在食品監(jiān)測(cè)、食品成分分析、食品包裝等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多使用 3D 打印技術(shù)制造的柔性傳感器，根據(jù)食品檢測(cè)方法，我們根據(jù)氣體、微生物和非氣體化合物進(jìn)行分類(lèi)介紹，如圖6所示。

（1） 氣體

在食品安全領(lǐng)域，氣體傳感器的應(yīng)用非常重要。通過(guò)3D打印柔性傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中有害氣體的快速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，從而保護(hù)消費(fèi)者的健康和安全。在食品領(lǐng)域應(yīng)用中檢測(cè)氣體包括了NH3、C?H?OH、NH3、CO、TVB-N等。

（2） 微生物

微生物污染是一個(gè)主要的食品安全問(wèn)題。利用3D打印柔性傳感器，可以開(kāi)發(fā)高靈敏度的微生物傳感器，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)食品中的細(xì)菌和霉菌等微生物污染，為食品生產(chǎn)加工提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制手段，其中監(jiān)測(cè)對(duì)象最多的就是大腸桿菌。

（3） 非氣態(tài)化合物

食品中的化學(xué)殘留物是食品安全的重要問(wèn)題。利用3D打印的柔性傳感器，可以開(kāi)發(fā)高靈敏度的化合物傳感器，可以快速檢測(cè)食品中的農(nóng)藥、重金屬和其他有害化合物，為食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)和食品安全管理提供有效的手段。文中介紹對(duì)象包括碳水化合物、H2O2、毒死蜱、二嗪農(nóng)和馬拉硫磷、C6H12O6、H2O、甲烷-膦酸等化合物。

圖 6：不同檢測(cè)方法

★ 結(jié)論與展望

3D打印機(jī)和傳感器背后的所有技術(shù)在過(guò)去幾年中都取得了重大進(jìn)展，但隨著這兩種技術(shù)的混合和結(jié)合，挑戰(zhàn)正在增加，目前，可以從以下幾個(gè)方面深入研究。

（1）3D打印材料問(wèn)題會(huì)限制打印傳感器的性能和可靠性，并且傳感器在長(zhǎng)時(shí)間使用后可能會(huì)失效或失效，因此需要更好的設(shè)計(jì)和制造工藝來(lái)提高其可靠性，研究理想的材料尤為重要，不合適的材料有時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

（2）缺乏3D打印傳感器壽命信息，且不知道3D打印產(chǎn)品可以使用多長(zhǎng)時(shí)間。

（3）每個(gè)傳感器響應(yīng)特性略有不同，因此需要校準(zhǔn)以確保其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

（4）食品檢測(cè)中缺乏3D打印柔性傳感器的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，需要制定這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以確保其安全性和有效性。

盡管3D打印傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，但如果它們要用于食品監(jiān)測(cè)，則必須注意打印材料的無(wú)毒性，這應(yīng)該指導(dǎo)未來(lái)的研究。雖然3D打印傳感器在食品檢測(cè)中的應(yīng)用尚不完善，但不得不說(shuō)未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

編輯：黃飛