Adv. Mater.：3D打印在可延伸觸覺傳感器中的應用實例

【引言】

多功能器件3D打印方法的開發將進一步影響到可穿戴電子產品、能量收集裝置、智能假肢和人機界面等領域。近來，隨著功能材料種類的增多和制造工藝的不斷進步，大大加快了可拉伸電子器件的發展。科研人員提出了很多新穎的方法，以便能夠克服傳統微細加工技術的機械限制，進一步提高人造皮膚電子裝置的生物相容性。

【成果簡介】

近日，明尼蘇達大學Michael C. McAlpine教授（通訊作者）在Adv. Mater.上發表了其課題組的最新研究成果“3D Printed Stretchable Tactile Sensors”，研究人員采用多材料、多尺度和多功能的3D打印方法，在自由表面上加工生成了3D觸覺傳感器。個性化觸覺傳感器具有檢測和區分人體運動狀況的能力，包括脈搏監測和手指運動等。利用個性化3D打印技術生產功能材料和設備，可以實現可穿戴電子系統中的各種傳感器的生物兼容性的優化調整，為仿生皮膚的應用開辟新路線。

【圖文導讀】

圖1? 觸覺傳感器設計原理和3D打印過程示意圖

（a）觸覺傳感器的組成示意圖：基底層、頂部和底部電極、隔離層、傳感器層和支撐層；

（b）觸覺傳感器的側視圖；

（c）觸覺傳感器的俯視圖；

（d）玻璃基板上觸覺傳感器的3D打印過程，包括8個步驟：

步驟I：打印面積為16mm²的方形硅氧烷基底層；

步驟II：使用75wt%銀/硅氧烷油墨在基底層上打印9mm²的方形底部電極層；

步驟III：使用68 wt％銀/硅氧烷油墨在電極層上打印半徑為350μm，高為1mm，壁厚為150μm的圓筒壁作為傳感器層；

步驟IV：使用硅氧烷油墨打印9mm²的隔離層；

步驟V：使用40 wt％普朗尼克墨水打印厚度為0.8mm的9mm²的方形支撐層；

步驟VI：使用75 wt％銀/硅氧烷油墨打印4mm²的方形頂部電極層；

步驟VII：將傳感器浸泡3小時以除去支撐層；

步驟VIII：干燥傳感器。

圖2 ?各種油墨的機械性能表征和傳感行為

（a-b） SEM圖表明Ag顆粒在68 wt％和75 wt％銀/硅氧烷油墨中的分布，標尺為5μm；

（c） 具有不同Ag含量的固化油墨的拉伸曲線；

（d） 具有不同Ag含量的固化油墨的壓縮曲線；

（e） 三種油墨的外加壓力與其電阻的關系曲線，其中68 wt％Ag的樣品為圓柱體（直徑1mm，高度為1mm），70 wt％和80 wt％Ag的樣品為細絲狀（長度為15mm，直徑為0.2mm）；

（f） 三種不同的循環壓力作用下，68 wt％銀/硅氧烷油墨傳感層的相對電流變化情況。

圖3 ?3D打印觸覺傳感器的感應行為

（a）SEM圖，3D打印觸覺傳感器傳感器層的俯視圖；

（b-c）3D打印觸覺傳感器的側視圖和俯視圖，標尺為200μm；

（d） 不同壓力下觸覺傳感器的電流-電壓特征曲線；

（e） 在0.125 Hz的輸入頻率下，200 kPa的動態壓力對應的響應頻率；

（f） 在200 kPa壓力作用下，不同輸入頻率與電流變化曲線；

（g） 不同油墨材料和觸覺傳感器裝置的平均壓縮系數；

（h） 在初始壓力為500 kPa時，施加恒定應變時觸覺傳感器的電流變化；

（i） 頻率為0.25Hz，壓力為100kPa時，進行100次循環，觸覺傳感器裝置的電流變化。

圖4 ?3D打印可伸縮觸覺傳感器的機械感應應用

（a）位于橈動脈上方的觸覺傳感器照片，測量徑向脈沖信號；

（b）久坐情況下測量的脈沖信號；

（c）上下樓跑5分鐘后測量的脈沖信號；

（d-e）按壓和彎曲的情況下，動態加載和循環次數對電流信號變化的影響；

（f）3D打印觸覺傳感器位于人的指尖，標尺為4mm；

（g）當用手指按壓觸覺傳感器時，其電流信號變化情況；

（h）位于觸覺傳感器（面積為1cm²）表面上的三角形玻璃物體的俯視圖，標尺為 2mm；

（i）在三角形玻璃（0.096g）上放置質量為50g的物體時，壓力分布的信號映射。

【小結】

本文采用不同含銀量的銀/硅氧烷油墨3D打印出微型觸覺傳感器，通過實驗證實該傳感器對應變、壓力等的變化能夠進行準確檢測，此外通過在人體上的實驗，進一步證實該傳感器對機械信號十分敏感，可以準確檢測人體的運動狀況。這一研究成果的發表為個性化3D打印傳感器開辟了新的路線。

文獻連接：3D Printed Stretchable Tactile Sensors（Adv.Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701218）

本文由材料人編輯部盧海洲編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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