一體化3D打印傳感器，低成本革新柔性傳感與工業(yè)監(jiān)測(cè)

來源：復(fù)合材料力學(xué)

工業(yè)4.0時(shí)代，機(jī)器需要更聰明的“感官”——但傳統(tǒng)傳感器成本高、生產(chǎn)慢、功能單一？我們顛覆性突破來了！只需一臺(tái)3D打印機(jī)，用“碳纖維+TPU”復(fù)合材料快速打造一體化超材料傳感器：低成本材料、數(shù)小時(shí)量產(chǎn)、單層結(jié)構(gòu)直接感知應(yīng)變、應(yīng)力、溫度！從機(jī)械臂實(shí)時(shí)精準(zhǔn)操控，到復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備健康監(jiān)測(cè)，它像給工業(yè)機(jī)器裝上“感知神經(jīng)”，讓生產(chǎn)線自主適應(yīng)復(fù)雜工況。告別多層堆疊和復(fù)雜工藝，這才是未來智能制造的“基礎(chǔ)設(shè)施”！

近期，西安交通大學(xué)韓賓、張琦教授團(tuán)隊(duì)提出一種創(chuàng)新方法：基于連續(xù)碳纖維（CCF）和熱塑性聚氨酯（TPU），通過熔融沉積建模3D打印技術(shù)結(jié)合星形超材料設(shè)計(jì)，成功制備高性能柔性多功能傳感器。相關(guān)成果以“3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》。

圖1  傳感測(cè)量的原理

柔性多功能傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)和傳輸不同外部信號(hào)的變化，在電子皮膚、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，制造具有多種功能的柔性傳感器在成本、生產(chǎn)率和集成方面仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。該研究介紹了一種利用連續(xù)碳纖維（CCF）和熔融沉積建模（FDM） 3D打印技術(shù)，結(jié)合星形超材料設(shè)計(jì)，制作柔性多功能傳感器的新方法。

研究開發(fā)的傳感器通過創(chuàng)新3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)單層集成，摒棄了傳統(tǒng)工藝中復(fù)雜的化學(xué)合成與多層封裝步驟，生產(chǎn)速度高達(dá)2.9米/小時(shí)，較傳統(tǒng)方法提升5倍。其核心功能涵蓋應(yīng)變（0-180%）、應(yīng)力（0-1 MPa）及溫度（30-100°C）的同步檢測(cè)，溫度靈敏度達(dá)0.5%/°C，尤其在沖擊載荷下電阻變化率高達(dá)15%，展現(xiàn)了寬域傳感能力與高環(huán)境適應(yīng)性。通過星形超材料的路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳感器實(shí)現(xiàn)了各向同性結(jié)構(gòu)，在1000次拉伸循環(huán)后電阻波動(dòng)小于3%，耐久性顯著超越傳統(tǒng)碳納米管/PDMS傳感器，為可穿戴設(shè)備與工業(yè)監(jiān)測(cè)提供了高穩(wěn)定性的解決方案。最后通過將該工作的柔性傳感器應(yīng)用于假手動(dòng)作感知與操控，有望實(shí)現(xiàn)“遠(yuǎn)程操控+智能抓取”的集成場(chǎng)景應(yīng)用。

圖2  本研究與傳統(tǒng)多層柔性傳感器的綜合性能評(píng)估

圖3  手腕彎曲實(shí)驗(yàn)及彎曲過程中的阻力變化

圖4  沖擊載荷下的電阻特性

圖5 3D柔性傳感器應(yīng)用于假手動(dòng)作感知與操控：遠(yuǎn)程柔性操控+智能抓取未來

研究的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）通過超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予CCF/TPU傳感器對(duì)應(yīng)變、應(yīng)力及溫度的協(xié)同響應(yīng)能力，首次實(shí)現(xiàn)單一材料多物理場(chǎng)同步檢測(cè)，為復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測(cè)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）基于手形超材料的柔性傳感器成功應(yīng)用于人體肘部運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證其在運(yùn)動(dòng)追蹤場(chǎng)景的實(shí)用性，拓展了可穿戴設(shè)備的傳感維度。

（3）采用一體化3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)高集成度、低成本與快速制造，突破傳統(tǒng)傳感器工藝復(fù)雜與高成本的瓶頸。

未來該團(tuán)隊(duì)的研究將聚焦于提升傳感器對(duì)多源信號(hào)的解耦能力，并深入探究其在振幅、頻率及模態(tài)分析等維度的振動(dòng)傳感特性，結(jié)合超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。通過深化對(duì)復(fù)合信號(hào)識(shí)別機(jī)制與振動(dòng)能量傳遞規(guī)律的研究，該技術(shù)有望在工業(yè)監(jiān)測(cè)、智能機(jī)器人觸覺反饋等領(lǐng)域拓展應(yīng)用邊界，持續(xù)釋放其技術(shù)潛力與實(shí)用價(jià)值。

西安交通大學(xué)韓賓副教授為論文的通訊作者。論文的第一作者是西安交通大學(xué)研究生王一諾。合作者還包括西安交通大學(xué)張琦教授。

作者簡(jiǎn)介：

韓賓，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院長(zhǎng)聘副教授，博士生導(dǎo)師，Materials期刊編委、航天制造技術(shù)期刊青年編委。從事多功能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、先進(jìn)增材制造技術(shù)、復(fù)合材料成形及焊接等領(lǐng)域的研究工作。主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、軍工科研項(xiàng)目、省部級(jí)科研項(xiàng)目及校企合作項(xiàng)目等20余項(xiàng)。在Int Mater Rev, Compos Part B,ChemEng J, Compos SciTechnol, AdditManuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J MechSci, Mater Design, Compos Struct等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表中英文論文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次，H因子32；獲得授權(quán)發(fā)明專利40項(xiàng)、軟件著作權(quán)5項(xiàng)；榮獲陜西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、陜西高�？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、陜西博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎(jiǎng)、江蘇省力學(xué)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)4項(xiàng)。

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https://scholar.google.com/citat ... u0AAAAJ&hl=en&oi=ao

張琦，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。陜西省三秦英才特殊支持計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，十四五“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)總體組專家，中國航發(fā)科技委專業(yè)委員會(huì)委員，大飛機(jī)增材制造協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟理事，陜西省機(jī)械工程學(xué)會(huì)理事，機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程分會(huì)理事。國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)及陜西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，主持JKW基礎(chǔ)加強(qiáng)項(xiàng)目，激光與增材制造重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，04重大專項(xiàng)，陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文120余篇，授權(quán)發(fā)明專利148項(xiàng)。

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