供稿人：李红艳、连芩 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-09-22
3D打印技术由于其可以定制任意结构的特点，已经成为推动创新和实现复杂设计的关键工具。传统的压力传感器在识别不同方向的加载力时存在局限性，这主要源于其各向同性的特性。为了克服这一挑战，科学家们一直在探索能够准确识别复杂压力状态的各向异性压力传感器。然而，现有的制造方法在材料合成和结构设计上存在复杂性和缺乏灵活性，3D打印技术的应用为这一挑战提供了新的制造策略。
四川大学聚合物研究所通过3D打印技术成功开发了一种新型的各向异性压阻压力传感器（PPS），为智能穿戴设备和电子皮肤等领域的应用开辟了新的可能性。该研究采用了直接墨水写入（DIW）3D打印技术，使用含水性聚氨酯（WPU）弹性体的自制墨水，成功打印出了具有定制各向异性“剪刀状”结构的PPS。通过调整打印方案，研究人员能够轻松调节传感器的各向异性，并实现明显的方向识别能力。
首先通过超声混合单壁碳纳米管（SWCNT）、纤维素纳米纤维（CNF）和WPU，然后使用高速混合器进行分散，得到均质复合油墨。保证了墨水的流变性能和足够的储存模量，为3D打印成功构建所需结构提供了保证。将得到的复合油墨从喷嘴中挤出，通过逐层沉积构建任意的三维几何形状。随后，对打印的样品进行冻干处理以去除水分并生成3D互连微孔，最后组装用于传感设备（图1a）。打印了具有特定设计的互连海绵结构（图1b）。这些结构不仅轻巧，还具有良好的压缩恢复性。通过有限元方法（FEM）模拟，研究了在不同方向上施加相同外力时的内部应力分布和响应位移变化，预测了结构的各向异性特性。
通过一系列压缩测试，研究人员评估了3D打印WPU/SWCNT/CNF复合海绵的压缩应力-应变行为和压阻性能。结果显示，与块状结构相比，3D打印的晶格结构具有更高的灵敏度和压力敏感性。此外，通过结构设计优化，显著提高了传感器的各向异性和方向响应性。
研究团队还展示了3D打印传感器在模拟机器人皮肤方面的潜在应用，如监测手指点击（图2a）、手臂挤压（图2b）、脸颊膨胀（图2c）和吞咽（图2d）等动作。此外，通过将传感器集成到智能组合锁中，展示了其在人机交互和人工智能领域的应用潜力（图2f、g、h）。
这项研究不仅展示了3D打印技术在制造高性能各向异性PPS方面的潜力，还为未来的智能设备和人机交互提供了新的思路。随着3D打印技术的不断进步，我们有理由相信，这种新型传感器将在医疗监测、健康护理、机器人技术等领域发挥重要作用。
图1 （a）: 采用DIW 3D打印策略的柔性压阻式WPU/SWCNT/CNF海绵的制备工艺示意图、整体组装以及传感装置压力传感测量测试平台。（b）：基于 WPU/SWCNT/CNF 的3D打印“异形图案”、“分叉”、“蝙蝠”和“love”定制结构
图2 由WPU/SWCNT/CNF衍生海绵组装而成的可穿戴设备作为活性层。a）手指咔哒声引起的相对阻力信号，b）手臂挤压，c）脸颊鼓起，d）吞咽。e） 在抓握和释放固体玩具猫时，由附在指尖上的海绵传感器监测的相对阻力变化。由9个传感器集成的智能密码锁反映了其f）正确和g），h）错误的密码，用于解码锁