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：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
供稿人：李紅艷、連芩 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室

3D打印技術由于其可以定制任意結構的特點，已經成為推動創(chuàng)新和實現(xiàn)復雜設計的關鍵工具。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)，科學家們一直在探索能夠準確識別復雜壓力狀態(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構設計上存在復雜性和缺乏靈活性，3D打印技術的應用為這一挑戰(zhàn)提供了新的制造策略。

四川大學聚合物研究所通過3D打印技術成功開發(fā)了一種新型的各向異性壓阻壓力傳感器（PPS），為智能穿戴設備和電子皮膚等領域的應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，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”結構的PPS。通過調整打印方案，研究人員能夠輕松調節(jié)傳感器的各向異性，并實現(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行分散，得到均質復合油墨。保證了墨水的流變性能和足夠的儲存模量，為3D打印成功構建所需結構提供了保證。將得到的復合油墨從噴嘴中擠出，通過逐層沉積構建任意的三維幾何形狀。隨后，對打印的樣品進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備（圖1a）。打印了具有特定設計的互連海綿結構（圖1b）。這些結構不僅輕巧，還具有良好的壓縮恢復性。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部應力分布和響應位移變化，預測了結構的各向異性特性。

通過一系列壓縮測試，研究人員評估了3D打印WPU/SWCNT/CNF復合海綿的壓縮應力-應變行為和壓阻性能。結果顯示，與塊狀結構相比，3D打印的晶格結構具有更高的靈敏度和壓力敏感性。此外，通過結構設計優(yōu)化，顯著提高了傳感器的各向異性和方向響應性。

研究團隊還展示了3D打印傳感器在模擬機器人皮膚方面的潛在應用，如監(jiān)測手指點擊（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，展示了其在人機交互和人工智能領域的應用潛力（圖2f、g、h）。

這項研究不僅展示了3D打印技術在制造高性能各向異性PPS方面的潛力，還為未來的智能設備和人機交互提供了新的思路。隨著3D打印技術的不斷進步，我們有理由相信，這種新型傳感器將在醫(yī)療監(jiān)測、健康護理、機器人技術等領域發(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”定制結構

圖2 由WPU/SWCNT/CNF衍生海綿組裝而成的可穿戴設備作為活性層。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：
Jingfeng Liu,Xuan Zhang,Jintao Liu et al. 3D Printing of Anisotropic Piezoresistive Pressure Sensors for Directional Force Perception. Advanced Science. 2024.