科学家借助自感应传感器使3D打印的穿戴式设备彻底突破

时间：2021-02-22 08:58 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网2月22日讯，韩国全北国立大学和中国材料提供商武汉Chamtop的科学家合作3D打印的新型可穿戴式自供电传感器。该团队的全印刷设备基于独特的钡负载PVDF聚合物，能够有效地收集人类运动产生的压电能量。当传感器安装到阵列中时，被证明能够使用这种电荷来检测压力输入并将其转换为信号，这是高性能添加剂可穿戴电子设备开发的重大进步。

图像显示了正在跆拳道腰带中测试的3D打印传感器，研究人员通过将其安装在跆拳道腰带上并用不同的力量反复打击来测试他们的传感器。图片来自Nanoscale杂志。
压电电子
鉴于自供电传感器在制造可穿戴医疗或运动相关监测设备方面的潜力，毫不奇怪，它们已成为研究中越来越热门的话题。与普通的电池驱动执行器相反，自供电技术通常更紧凑，更环保，同时制造成本也更低。压电器件由于其灵活性，净功率输出和易于制造而在该领域具有特别的前景，并且与摩擦电能源（例如，静态）相比具有更高的性能。尽管PVDF已经成为3D打印这些传感器的流行基础材料，但它通常需要填充成核添加剂，以实现其最佳的压电性能。
在以前的研究中，将材料与聚合物混合已产生了功效有限的设备，而发现添加钛酸钡（BTO）可以增强所需的性能，但会导致颗粒聚集。为了解决这个问题，科学家提出了使用类似成分的3D打印传感器，尽管这种传感器采用新颖的“榫眼形”结构。

科学家的3D打印传感器建立在BTO-PVDF基座上。图片来自Nanoscale杂志。
3D打印传感器阵列
      一旦研究人员确定了最佳的PVDF-BTO配方，他们便部署了Musashi Engineering机械臂式3D打印机，将材料分配到胶片中。然后，在使用镍带标记其电极之前，将银浆印刷在设备的表面上，并在电场下对其进行极化处理。
        所得的传感器排列成U形7×7 cm2的阵列，并进行特性测试。初步结果表明，树脂中没有明显的BTO沉降，这是潜在工业应用的重要先兆。有趣的是，研究小组还发现，提高薄膜中BTO浓度的水平对其压电性能具有相关影响。
        例如，那些由10％的钡纳米颗粒（NPs）组成的原型显示的电流为24.3 pC / N，而以50％的浓度加载样品时，其电流增加到69.1 pC / N。鉴于它们的最佳性能，后一种传感器随后被部署到运动评估中，并在其中安装了跆拳道护具。受到撞击时，这些设备能够根据所产生的电压量来检测施加的不同水平的力，这可能被证明可用作运动员训练工具。鉴于其阵列的灵活性，科学家们还建议将来可以将其3D打印到其他可穿戴设备上，从而使他们无需外部电源即可监视各种体育活动。
压电带电潜力
      压电材料的3D打印使无电池设备的生产具有运动部件，可以证明是各种临床和软机器人应用的理想选择。威斯康星大学麦迪逊分校的科学家已经将该技术用于3D打印血管，能够远程监测患者的血压。管状设备发出压电脉冲，提醒患者何时需要紧急医疗护理，而无需外部电源。

与此同时，一个由中国研究人员组成的财团通过3D打印自动供电的机械手手指，无需使用常规电池即可感知曲率的变化。团队希望他们的多材料添加剂数字将激发未来其他压电驱动的软机器人技术的发展。

在新颖材料方面，弗吉尼亚理工学院和州立大学的工程师也取得了长足的进步。在该处进行的最新研究中，一个团队开发了一种用于DLP 3D打印的压电陶瓷，并用它来创建各种复杂的自持结构。

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