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基于3D软打印技术的可形变传感装置

基于3D软打印技术的可形变传感装置

供稿人:余常欣 连芩   发布日期:2017-10-03
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半个世纪以来,人们对人体工程学和人体运动学的探索从未间断。然而,囿于科学技术的落后,对于“人体运动的研究”始终没有突破性的进展,而由3D软打印技术所提供的软传感器具有可形变的特征,从而能够测量人体运动的参数,这将会是该研究突破的曙光。

过去,对于人体运动的很多方面均依靠经验进行,比如足球教练指导队员们踢球,是通过目测队员的膝盖弯曲程度,大腿摆动幅度,以及脚踝的形态等动作因素并与自己踢球的经验相结合来进行的,这样的方法无疑是不够准确也具有很大局限性的。因此,需要一种能够方便获取队员身体形态的精确参数的辅助工具。这样的辅助工具还可以运用在其他方面,比如,床垫供应商研发一款新的床垫的时候,往往通过“试睡员”试睡后的反馈意见来继续改进床垫,由于个体差异的因素,显然这个方法并不能满足现代人对于高质量睡眠的要求,同时对于研发进度也有很大程度的拖累,而如果能够通过辅助工具准确地获得一些床垫和试睡员的参数,比如床垫的弯曲程度,试睡员的脊椎弯曲程度,试睡员的手臂和身体所成的夹角等等,就可以方便地解决这些问题。

由此,需要研发一种辅助工具,使其能够准确又便利地测量人体运动的参数。2016年12月15日,美国哈佛大学的Ryan L. Truby 和 Jennifer A. Lewis在Nature上发表了一篇题为“Printing soft matter in three dimensions”的综述[1],其中介绍了基于光和油墨的3D软打印技术和所用的软物质,并强调了几个新兴应用,这之中有一种软传感器,可以帮我们实现研究目标。这种软传感器通常由可形变的导电材料组成,被附着或封装在一个绝缘的、可拉伸的软垫内,而这些传感器在拉伸或弯曲时其电阻、电容和衰减时间会随之改变,可以作为应变函数而测量,从而准确地测量物体的形变速度、程度。嵌入式3D打印的自由形式允许快速制造复杂的软传感器,并避免常规成型和拉伸过程制成的软传感器通常会出现的分层问题。

然而,这些传感器的一个缺点是它们的呈现滞后:在给定的应变周期期间,导电粒子网络的分解和重新形成之间存在时间滞后,通过将液态金属(如共晶镓铟,eGaIn)集成到软感测架构中可以克服迟滞所引起的局限。然而,eGaIn和其他液态金属的高表面张力和复杂表面现象给打印带来挑战,因此人们正在尝试开发更容易形成图案的碳墨和离子导电溶液。这些最近已经成功地封装在高度可扩展的弹性体基体中,并用于生产纺织品安装的电容纤维传感器。这需要一个经过特别设计的多核打印头,能够打印由高度可拉伸的弹性体外壳间隔开的具有同心导电特性的长丝(如图1)。这些电容性光纤传感器的电容,电阻和衰减时间则作为应变函数而被测量。

图1. 3D打印制造的导电长丝[2]

如果要解决实际问题,如运动员的运动参数测量以及床垫的参数测量,还需要合适的载体来固定软传感器,实际上,以Heddoko为代表的许多公司已经将软传感器与布料进行结合,这使得软传感器的固定问题得到解决,床垫上可以装配有软传感器的特殊布料进行测量,而运动员只需穿戴配有软传感器的衣物就可以对运动参数进行测量,而这些配有传感器的衣物并不会对运动员的运动造成的影响则可以忽略不计。

图2. Heddoko公司研发的智能紧身运动服
图3, Heddoko公司研发的智能紧身运动服配套的参数显示app

3D软打印技术制造的软传感器最大的好处就是在于其柔软的特性为人们提供最自然的测试条件,记录最准确的数据,然而,由于材料和设备价格不菲,这项技术目前只适用于小众人群和定制服务,并不能普遍推广,但这些问题会随着时间的推移而改善,软传感器仍然是改变人体工程学和人体运动学领域最有前景的方法,在未来改变人类的生活方式也未尝没有可能!

参考文献:

  1. Ryan L. Truby , Jennifer A. Lewis ,Printing soft matter in three dimensions ,Nature, doi:10.1038/nature21003 (2016).
  2. Frutiger, A. et al. Capacitive soft strain sensors via multicore-shell fiber printing. Adv. Mater. 27, 2440–2446 (2015).