為士兵配備的生物監(jiān)測(cè)設(shè)備看起來(lái)可能像是電影《賽博朋克2077》中的設(shè)備，但是美國(guó)陸軍使用3D打印技術(shù)將該技術(shù)快速推向了2020年。ARL開(kāi)發(fā)了新穎的多功能生物傳感器，并且可以對(duì)士兵進(jìn)行生理跟蹤有可能使他們對(duì)實(shí)地局勢(shì)威脅有更深入的認(rèn)識(shí)。

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的發(fā)展，美國(guó)陸軍已經(jīng)越來(lái)越多地開(kāi)發(fā)出保護(hù)其人員免受生物武器污染的方法。利用ARL小組的3D打印傳感器，現(xiàn)在可以在戰(zhàn)場(chǎng)上檢測(cè)武器化的毒素，細(xì)菌或病毒，從而為士兵提供最大的生存機(jī)會(huì)。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）的約書(shū)亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）解釋說(shuō)：“保形3D打印可以在人體皮膚等生物表面上快速且可定制地制造微流體設(shè)備。監(jiān)視戰(zhàn)士的身體狀態(tài)的能力可以使他們暫時(shí)需要從戰(zhàn)場(chǎng)上安全地撤離，從而使判斷力從士兵手中移開(kāi)。”

盡管近年來(lái)已經(jīng)嘗試了幾種類(lèi)似的“芯片實(shí)驗(yàn)室”技術(shù)，但Uzarski卻是第一個(gè)被開(kāi)發(fā)成可現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備的技術(shù)。 Uzarkski在ARL的六年中曾領(lǐng)導(dǎo)過(guò)其他兩個(gè)生物傳感器項(xiàng)目，是表面化學(xué)專(zhuān)家，但自從與明尼蘇達(dá)大學(xué)（UMN）合作以來(lái)，他取得了重大進(jìn)展。

CCDC和UMN的研究目標(biāo)和抱負(fù)是什么？

約書(shū)亞·烏扎爾斯基（Joshua Uzarski）：士兵中心多年來(lái)一直致力于基于陣列的生物傳感器的研究，但沒(méi)有能力將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹渴鸬钠脚_(tái)。 UMN提供了工程專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)推動(dòng)微流體技術(shù)向前發(fā)展，從而可以幫助將傳感器思想轉(zhuǎn)變?yōu)榭涩F(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備，包括紡織品（用于制服），便攜式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，甚至在皮膚上進(jìn)行生理監(jiān)測(cè)。

此類(lèi)設(shè)備在軍事應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢(shì)是什么？

JU：好處包括能夠創(chuàng)建更現(xiàn)場(chǎng)且與基于生物的檢測(cè)兼容的傳感器設(shè)備。當(dāng)前大多數(shù)技術(shù)都需要平坦，堅(jiān)硬且通常很重的材料，這些材料無(wú)法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)材料。這些新型設(shè)備可以在柔軟，柔性和輕質(zhì)的材料（例如紡織品和皮膚）上創(chuàng)建。

此外，它們相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的良好制造條件（例如高溫和苛刻的化學(xué)處理）以及消除了支持材料，使得可以包含敏感的生物分子用于傳感器診斷測(cè)試。這些包括對(duì)水質(zhì)和/或戰(zhàn)劑的環(huán)境觀察以及生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

如果用作“芯片實(shí)驗(yàn)室”診斷工具，您的工具與我們之前看到的有何不同？

JU：自支撐微流控技術(shù)的幾種功能使其在用于“芯片實(shí)驗(yàn)室”應(yīng)用時(shí)優(yōu)于以前的方法。常規(guī)裝置通常需要大塊的固化聚合物來(lái)包裹微流體通道，從而導(dǎo)致體積大。相比之下，我們的3D打印微流體傳感器具有簡(jiǎn)潔的配置，它由感測(cè)基板和3D打印的有機(jī)硅通道組成。

我們的設(shè)備也沒(méi)有嚴(yán)格的無(wú)塵室制造要求，例如設(shè)備的仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)（通常需要更多的材料），同時(shí)提供有限的復(fù)用功能。與其他片上實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相比，我們制造方法的靈活性

研究人員的3D打印微流體設(shè)備可能具有潛在的軍事監(jiān)視應(yīng)用程序

您的新型增材制造方法有何獨(dú)特之處，其優(yōu)勢(shì)是什么？

我們的方法能夠根據(jù)目標(biāo)表面的幾何形狀設(shè)計(jì)打印刀具路徑，并將微流體網(wǎng)絡(luò)直接“寫(xiě)入”到表面上。保形印刷還使得能夠在諸如人類(lèi)皮膚的生物表面上快速且可定制地制造微流體裝置。諸如立體平版印刷術(shù)（SLA）和噴墨打印之類(lèi)的先前技術(shù)使用可紫外線(xiàn)固化的樹(shù)脂來(lái)產(chǎn)生微流體芯片，這些微流體芯片通常在材料固化后便是剛性的。通過(guò)印刷諸如室溫硫化（RTV）硅酮之類(lèi)的高彈性材料，我們的方法可創(chuàng)建柔性且可拉伸的微流體結(jié)構(gòu)，斷裂應(yīng)變高達(dá)350％。

而且，由于結(jié)構(gòu)是自支撐的，因此微流體設(shè)備可以直接對(duì)準(zhǔn)并打印在功能化的傳感陣列上，從而使傳感元件無(wú)污染。相比之下，通過(guò)其他3D打印方法制造的微流控設(shè)備通常會(huì)在通道中臨時(shí)填充殘留的樹(shù)脂或支撐材料，這會(huì)污染傳感表面。

與其他微流體制造方法相比，快速原型技術(shù)還可以縮短周轉(zhuǎn)時(shí)間，例如使用PDMS進(jìn)行軟光刻，使用塑料進(jìn)行機(jī)加工或注塑成型以及使用紙質(zhì)基材進(jìn)行印刷。這有助于加快開(kāi)發(fā)速度，以朝著實(shí)際產(chǎn)品和應(yīng)用程序發(fā)展。

您開(kāi)發(fā)的技術(shù)有何潛力，尤其是在軍事環(huán)境中？

JU：擁有性能更好，戰(zhàn)斗員負(fù)擔(dān)更少的環(huán)境和物理監(jiān)視傳感器的能力，將為形勢(shì)意識(shí)提供越來(lái)越多的信息。例如，知道水源被立即污染而沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)都攜帶笨重且耗電的設(shè)備，而獲得快速響應(yīng)是一個(gè)重大的潛在突破。

此外，監(jiān)視戰(zhàn)士的身體狀態(tài)的能力可以使他們?cè)谛枰獣r(shí)安全地從戰(zhàn)場(chǎng)上撤離，這也使判斷力從士兵的手中移開(kāi)。這項(xiàng)新技術(shù)使我們朝著這些愿景前進(jìn)。目前，對(duì)于這些類(lèi)型的需求，要么是不切實(shí)際的技術(shù)，要么根本沒(méi)有。

在這一研究領(lǐng)域是否有繼續(xù)計(jì)劃？如果是這樣，如何發(fā)展和增強(qiáng)該技術(shù)？

現(xiàn)在，在軍事應(yīng)用方面，已經(jīng)有一些研究建議可用于使用該技術(shù)對(duì)特定毒素，細(xì)菌和病毒進(jìn)行生物檢測(cè)。這將是模塊化的，因?yàn)樗梢栽谝院筮M(jìn)行預(yù)編程，并使用模式識(shí)別響應(yīng)進(jìn)行修改以檢測(cè)不同的特定目標(biāo)?？梢岳迷摷夹g(shù)來(lái)創(chuàng)建未來(lái)的“按需”傳感器，并在現(xiàn)場(chǎng)快速打印所有組件，以應(yīng)對(duì)特定環(huán)境的威脅。

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