印第安纳州的研究人员在“迈向智能多材料光纤的数字化制造”中探讨了光纤在3D打印中的应用，以及将其功能扩展到包含高性能电子产品的智能材料的潜力。目前，超高效光纤被用于各种应用，包括高速电信和全球数据存储，光纤传感器（FOS）等光学器件被用于生物医学、石油天然气、航空航天等重要应用领域。

与更传统的光纤材料相比，智能光纤可用于商业织物等应用中。要使它们正常工作，需要以下内容：

•电导性

•专门设计的架构

•功能缩小到纳米级

图1：VLSI-Fi：表示“2D + 1D + 0D”方法的VLSI-Fi技术的概念示意图。a将3D打印的预制件a（I）热拉伸成（II）长光纤，保留预制件（2D）的横截面几何形状。b通过空间相干、材料选择性毛细管断裂（+1d）形成光纤的轴向图案，从而将最初连续、分离的芯组装成平行接触的离散装置阵列。c偏析驱动的半导体粒子分裂后掺杂控制，允许通过热梯度c（III）控制单个器件的内部结构c（II）。d（I）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）通过VLSI-Fi的示意图，其中p型和n型半导体分别以蓝色和红色显示。嵌入石英纤维中的金色连续棒充当栅极，源极和漏极。得到的纤维横截面显示在d（II）中。类似地，e（I）示出了由VLSI-Fi实现的双极结型晶体管（BJT）的示意图，其通过来自发射极侧和集电极侧的冲击热源实现。光纤截面e（II）显示BJT的发射极，集电极和基极（嵌入光纤中的连续棒），n-p-n结的p型和n型半导体分别显示为蓝色和红色。

构建了预制件，虽然有多种方法可以实现，但3D打印是一种可能的技术。纤维也可以编织成不同的结构以增加强度，并用作材料生产的合成平台，以及传感器。在许多情况下，3D打印的好处也可以享受，使其易于使用、价格合理且用户友好。作者指出，3D打印对于制造也具有吸引力，因为可行性与许多不同类型的材料，包括热塑性塑料、生物材料等等。

图2：3D打印预制件：a（I）方形3D打印聚碳酸酯预制件。a（II）绘图锥。a（III）热拉伸后得到的聚碳酸酯光纤。a（IV）拉伸过程后的光纤横截面，没有层分层。由于填充图案的非各向同性孔隙率（比例尺200μm），横截面是矩形的。a（V）退火前拉制的光纤。 a（VI）退火后的拉制的光纤，具有明显的光学透明性。b玻璃预制件的CAD模型，在钠钙玻璃中成功实现，具有高精度挤出3D打印。b（I）结构模仿蓝色狼蛛毛。b（II）具有非平衡横截面几何形状的预制棒模型（比例尺1厘米）。c（I）方形玻璃样品，玻璃填充增加（从左到右），采用SLA技术打印。 c（II）烘烤前（左）和烘烤过程中玻璃样品的详细信息（右）。在后者中，可以看到由树脂的碳化残余物产生的黑色着色，而在这些残余物被灰化后尖端呈现白色。c（III）在显微镜下的灰化部分（比例尺200μm）的图片，其中白色着色是互连多孔结构中压实的研磨光纤的自然颜色的结果。此外，图像中用d表示的玻璃光纤的标称宽度与16μm的预期值相关。c（IV）打印玻璃预制品密度（ρ）与玻璃光纤与树脂混合的体积分数以及打印材料平均密度的函数关系图。

在使用光纤超大规模集成（VLSI-Fi）概念时，研究人员可以结合液相处理技术来创建用于制造各种器件和系统的“工具箱”。在这里，该团队专注于VLSI-Fi的“更窄方面”以及以下内容：

•预成型3D打印

•光纤内电路组件

•偏析驱动的掺杂控制

“此外，FAMES实验室能够处理高温材料，以及在增材制造中更传统的热塑性塑料应用，使我们能够利用诸如Si / Ge中的高电子迁移率等特性，以及未来使用锆酸铅（PZT）/ BaTiO3复合材料用于压电应用，与聚合物相比具有较大的压电系数和较高的声学带宽，“研究人员表示。

纤维通常用于生物医学领域，用于与医疗、物理和化学传感器相关的应用，可以监测压力、温度、湿度和其他环境。

“智能纤维开发的例子包括由聚合物和金属芯组合组成的神经纤维探针，它能够提供神经探针的灵活性和弯曲刚度，因为它提供体内光遗传学刺激并输送药物作为输入，以记录电反馈和生理学反馈输出信号。”研究人员说。

“另一个例子是一种将微流体原理与复杂的横截面几何结构和米长的微通道相结合的纤维，该微通道用于分析介电泳（DEP）对细胞的分离。活细胞和死细胞由惯性力和介电力通过无鞘、高通量的微流控细胞分离器分离，微通道中含有导电材料。”

生物传感器也可以以多种不同的方式产生，可以监测细胞、细菌、DNA等。最终，研究人员将VLSI-Fi视为允许在许多技术领域实现产品，从活性仿生支架开始。

“我们相信这种方法将提供一种新型的耐用、低成本、普遍存在的光纤设备和传感器，能够将与人造物体（如家具和服装）相遇的织物整合到物联网（IoT）中。此外，它将推动3D打印的创新，将数字制造方法扩展到纳米电子领域。”作者总结道。

3D打印开辟了广泛的材料科学，包括用于可穿戴设备、光纤和生物医学应用的纤维和传感器的创新。

图3：生物接口。（I）组织的3D生物打印。（II）生物油墨的标准微萃取。（III）传统生物墨水，细胞悬浮在水凝胶中。（(IV）生物油墨涂层生物接口纤维的同轴微萃取。（V）生物接口发生的纤维的近距离观察：上皮细胞和血管上皮生长因子从不同的微通道排出，并在两个孔之间形成细胞自组装的血管；压电元件通过超声波测量周围细胞密度；以及形状记忆合金线在组织中提供蠕动运动。（VI）生物接口纤维及其组件的可视化。