3D打印用于定向力感知的各向異性壓阻式壓力傳感器

來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會
供稿人：李紅艷、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3D打印技術(shù)由于其可以定制任意結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，已經(jīng)成為推動創(chuàng)新和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計的關(guān)鍵工具。傳統(tǒng)的壓力傳感器在識別不同方向的加載力時存在局限性，這主要源于其各向同性的特性。為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家們一直在探索能夠準(zhǔn)確識別復(fù)雜壓力狀態(tài)的各向異性壓力傳感器。然而，現(xiàn)有的制造方法在材料合成和結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在復(fù)雜性和缺乏靈活性，3D打印技術(shù)的應(yīng)用為這一挑戰(zhàn)提供了新的制造策略。

四川大學(xué)聚合物研究所通過3D打印技術(shù)成功開發(fā)了一種新型的各向異性壓阻壓力傳感器（PPS），為智能穿戴設(shè)備和電子皮膚等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。該研究采用了直接墨水寫入（DIW）3D打印技術(shù)，使用含水性聚氨酯（WPU）彈性體的自制墨水，成功打印出了具有定制各向異性“剪刀狀”結(jié)構(gòu)的PPS。通過調(diào)整打印方案，研究人員能夠輕松調(diào)節(jié)傳感器的各向異性，并實(shí)現(xiàn)明顯的方向識別能力。

首先通過超聲混合單壁碳納米管（SWCNT）、纖維素納米纖維（CNF）和WPU，然后使用高速混合器進(jìn)行分散，得到均質(zhì)復(fù)合油墨。保證了墨水的流變性能和足夠的儲存模量，為3D打印成功構(gòu)建所需結(jié)構(gòu)提供了保證。將得到的復(fù)合油墨從噴嘴中擠出，通過逐層沉積構(gòu)建任意的三維幾何形狀。隨后，對打印的樣品進(jìn)行凍干處理以去除水分并生成3D互連微孔，最后組裝用于傳感設(shè)備（圖1a）。打印了具有特定設(shè)計的互連海綿結(jié)構(gòu)（圖1b）。這些結(jié)構(gòu)不僅輕巧，還具有良好的壓縮恢復(fù)性。通過有限元方法（FEM）模擬，研究了在不同方向上施加相同外力時的內(nèi)部應(yīng)力分布和響應(yīng)位移變化，預(yù)測了結(jié)構(gòu)的各向異性特性。

通過一系列壓縮測試，研究人員評估了3D打印WPU/SWCNT/CNF復(fù)合海綿的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變行為和壓阻性能。結(jié)果顯示，與塊狀結(jié)構(gòu)相比，3D打印的晶格結(jié)構(gòu)具有更高的靈敏度和壓力敏感性。此外，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，顯著提高了傳感器的各向異性和方向響應(yīng)性。

研究團(tuán)隊(duì)還展示了3D打印傳感器在模擬機(jī)器人皮膚方面的潛在應(yīng)用，如監(jiān)測手指點(diǎn)擊（圖2a）、手臂擠壓（圖2b）、臉頰膨脹（圖2c）和吞咽（圖2d）等動作。此外，通過將傳感器集成到智能組合鎖中，展示了其在人機(jī)交互和人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力（圖2f、g、h）。

這項(xiàng)研究不僅展示了3D打印技術(shù)在制造高性能各向異性PPS方面的潛力，還為未來的智能設(shè)備和人機(jī)交互提供了新的思路。隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，這種新型傳感器將在醫(yī)療監(jiān)測、健康護(hù)理、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖1 （a）: 采用DIW 3D打印策略的柔性壓阻式WPU/SWCNT/CNF海綿的制備工藝示意圖、整體組裝以及傳感裝置壓力傳感測量測試平臺。（b）：基于 WPU/SWCNT/CNF 的3D打印“異形圖案”、“分叉”、“蝙蝠”和“l(fā)ove”定制結(jié)構(gòu)

圖2 由WPU/SWCNT/CNF衍生海綿組裝而成的可穿戴設(shè)備作為活性層。a）手指咔噠聲引起的相對阻力信號，b）手臂擠壓，c）臉頰鼓起，d）吞咽。e） 在抓握和釋放固體玩具貓時，由附在指尖上的海綿傳感器監(jiān)測的相對阻力變化。由9個傳感器集成的智能密碼鎖反映了其f）正確和g），h）錯誤的密碼，用于解碼鎖

參考文獻(xiàn)：
Jingfeng Liu,Xuan Zhang,Jintao Liu et al. 3D Printing of Anisotropic Piezoresistive Pressure Sensors for Directional Force Perception. Advanced Science. 2024.