3D打印的柔性傳感器瞄準(zhǔn)可穿戴設(shè)備

滑鐵盧大學(xué)的工程師使用 3D 打印和納米技術(shù)開發(fā)了一種堅固而靈活的傳感器。研究人員表示，新傳感器可用于各種可穿戴設(shè)備，從生命體征到運動表現(xiàn)監(jiān)測，同時提高舒適度。加州大學(xué)洛杉磯分校和英屬哥倫比亞大學(xué)的研究人員也參與了該項目。

滑鐵盧多尺度增材制造 （MSAM） 實驗室的研究主任、機(jī)械和機(jī)電一體化工程教授Ehsan Toyserkani 說：“橡膠-石墨烯傳感器可以與電子元件配對，制造出記錄心臟和呼吸的可穿戴設(shè)備。率，記錄運動員跑步時施加的力量，允許醫(yī)生遠(yuǎn)程監(jiān)控患者，以及許多其他潛在應(yīng)用?！?/p>

研究人員表示，這項新技術(shù)將硅橡膠與超薄石墨烯層相結(jié)合，制成了一種非常適合制造跑鞋腕帶或鞋墊的材料。

有機(jī)硅為生物監(jiān)測提供了靈活性和耐用性，并且具有高導(dǎo)電性，而納米級嵌入式石墨烯使其成為一種有效的傳感器。

研究人員表示，只有使用最先進(jìn)的 3D 打印或增材制造、設(shè)備和工藝，才能制造出具有復(fù)雜內(nèi)部特征的硅橡膠結(jié)構(gòu)?！爱?dāng)橡膠材料彎曲或移動時，電信號由嵌入其工程蜂窩結(jié)構(gòu)中的高導(dǎo)電納米級石墨烯產(chǎn)生?！?/p>

然而，研究人員面臨一些挑戰(zhàn)。雖然浸涂多孔聚合物是一種將導(dǎo)電層與柔性聚合物基材集成的低成本且可擴(kuò)展的方法，但產(chǎn)品會出現(xiàn)納米顆粒分層，并且隨著時間的推移會衰減。解決方案是開發(fā)一種制造方案，用石墨烯納米片對多孔硅傳感器進(jìn)行表面摻雜。

在一篇研究論文中進(jìn)一步解釋 道：“傳感器內(nèi)部采用熔融沉積建模 （FDM） 3D 打印的犧牲模具成型，具有有序、互連和曲折的內(nèi)部幾何形狀（即三重周期性最小表面）。模具經(jīng)過浸涂，將石墨烯轉(zhuǎn)移嵌入到硅橡膠 （SR） 表面。”

結(jié)果是在多孔有機(jī)硅樣品上形成了穩(wěn)定的涂層，可提供約 12 個月的長期電阻耐久性和對惡劣條件（暴露于有機(jī)溶劑）的高耐受性。傳感器還保持導(dǎo)電性——即使在超過 75% 的壓縮應(yīng)變下——具有高應(yīng)變可恢復(fù)性。

Elham Davoodi，工程博士。領(lǐng)導(dǎo)該項目的滑鐵盧大學(xué)學(xué)生表示，該傳感器可用于惡劣環(huán)境，包括極端溫度和濕度。“它甚至可以用你的衣服洗，”他說。

橡膠-石墨烯材料與 3D 打印工藝相結(jié)合，使定制設(shè)備能夠精確貼合用戶的體型。研究人員表示，與現(xiàn)有的可穿戴設(shè)備相比，這也將提高舒適度并降低制造成本。