基于3D打印的各向異性壓阻式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)方向力感知

各向異性壓力傳感器由于在識(shí)別不同方向力方面的敏感性，在下一代可穿戴電子設(shè)備和智能基礎(chǔ)設(shè)施中越來(lái)越受到關(guān)注。3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)具有定制3D結(jié)構(gòu)的各向異性壓力傳感器以實(shí)現(xiàn)可調(diào)各向異性方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。3D打印在利用壓電納米復(fù)合材料進(jìn)行各向異性識(shí)別方面幾乎沒(méi)有成功案例。3D打印的各向異性壓阻式壓力傳感器（PPS）盡管在節(jié)省極化過(guò)程方面很方便，但仍未得到開(kāi)發(fā)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，四川大學(xué)張楚虹教授團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)發(fā)了一種含有水性聚氨酯（WPU）彈性體的可打印水性油墨。采用墨水直寫(xiě)（DIW）3D打印技術(shù)，制備了一種具有宏觀3D結(jié)構(gòu)和微觀孔隙形態(tài)的各向異性PPS。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了3D打印在為先進(jìn)傳感應(yīng)用定制高靈敏度各向異性壓力傳感器方面的多功能性，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。相關(guān)研究成果以“3D Printing of Anisotropic Piezoresistive Pressure Sensors for Directional Force Perception”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

下圖顯示了使用墨水直寫(xiě)3D打印集成凍干技術(shù)的海綿制造過(guò)程。首先，通過(guò)在超聲波作用下混合單壁碳納米管（SWCNT）、纖維素納米纖維（CNF）和WPU，隨后使用高速混合器分散，獲得均勻的復(fù)合油墨。將獲得的復(fù)合油墨從噴嘴擠出，通過(guò)逐層沉積構(gòu)建任意的3D幾何形狀。隨后，對(duì)打印的樣品進(jìn)行凍干以去除水分，并產(chǎn)生3D互連微孔。最后組裝成傳感裝置。在對(duì)導(dǎo)電性和流變性能進(jìn)行全面研究后，選擇了6 wt% SWCNT的三元復(fù)合油墨。

油墨的制備及其流變行為

使用含有6 wt% SWCNT的WPU/SWCNT/CNF復(fù)合油墨可以直接打印所需的結(jié)構(gòu)。“異形圖案”、“分叉”、“蝙蝠”和“愛(ài)心”標(biāo)志的代表性定制結(jié)構(gòu)可以輕松構(gòu)建。打印的3D晶格結(jié)構(gòu)海綿的尺寸為10 mm × 10 mm × 10 mm，密度為0.12 g cm?3，足夠輕，可以穩(wěn)定地放置在葉子上。CNF使SWCNT均勻分散在CNF/WPU基體中，并且與WPU具有良好的親和力。這非常有利于應(yīng)力傳遞，增強(qiáng)海綿的機(jī)械性能。

三維互聯(lián)WPU/SWCNT/CNF衍生海綿的3D打印

對(duì)3D打印的WPU/SWCNT/CNF復(fù)合晶格海綿與已報(bào)道的碳基復(fù)合材料的壓阻性能進(jìn)行了全面比較，以說(shuō)明所提出方法的先進(jìn)性。所設(shè)計(jì)的傳感器在2.8-8.1 kPa的壓力范圍內(nèi)具有較高的相對(duì)靈敏度1.22 （kPa*wt%）?1，約為最先進(jìn)的碳基導(dǎo)電復(fù)合氣凝膠/泡沫壓阻式壓力傳感器的五倍。這一優(yōu)勢(shì)主要?dú)w因于分級(jí)多孔海綿結(jié)構(gòu)的應(yīng)力放大效應(yīng)。

3D打印WPU/SWCNT/CNF復(fù)合海綿的機(jī)械性能和壓阻性能

3D打印WPU/SWCNT/CNF復(fù)合晶格除了具有出色機(jī)械和傳感性能外，還采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整壓阻細(xì)絲的空間排列來(lái)完全控制方向響應(yīng)。模擬結(jié)果表明，具有交叉單元結(jié)構(gòu)的晶格在靈敏度方面具有各向異性特征。因此，可以通過(guò)調(diào)整打印方案來(lái)調(diào)整各向異性。所提出的策略是通過(guò)改變相鄰層之間細(xì)絲的堆疊角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

可調(diào)諧各向異性和方向響應(yīng)的定制海綿的3D打印

考慮到晶格海綿器件的壓阻性能，對(duì)其進(jìn)行組裝，探索其在機(jī)器人皮膚中的潛在應(yīng)用。在手指點(diǎn)擊、手臂擠壓、臉頰鼓起和吞咽時(shí)獲得了不同的信號(hào)，表明了其對(duì)不同大小力的傳感能力。觸覺(jué)傳感器的成功演示表明其在機(jī)器人皮膚監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和人工智能（AI）方面具有誘人的應(yīng)用潛力。

由WPU/SWCNT/CNF衍生海綿作為活性層組裝而成的可穿戴設(shè)備

總而言之，該研究首次通過(guò)墨水直寫(xiě)3D打印，使用包含基于WPU/SWCNT/CNF的彈性體導(dǎo)電復(fù)合材料的自制油墨，開(kāi)發(fā)出具有宏觀3D結(jié)構(gòu)和微觀孔隙形態(tài)的柔性3D PPS。所制備的PPS具有定制的各向異性“剪刀狀”結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出明顯的方向識(shí)別能力，其各向異性可以通過(guò)調(diào)整打印方案輕松調(diào)節(jié)。此外，3D PPS在較寬的壓力范圍內(nèi)（2.8-8.1 kPa）具有較高的相對(duì)靈敏度，超過(guò)了最先進(jìn)的碳基導(dǎo)電復(fù)合氣凝膠/泡沫衍生PPS。

論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309607

審核編輯：劉清