【詳解】3D打印在可延伸觸覺傳感器中的應(yīng)用實(shí)例

近日，明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael C. McAlpine教授在Adv. Mater.上發(fā)表了其課題組的最新研究成果“3D Printed Stretchable Tactile Sensors”，南極熊之前剛剛對(duì)其進(jìn)行了報(bào)道，手指肚上3D打印傳感器，以后的機(jī)器人要成精了。據(jù)悉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(gè)性化觸覺傳感器具有檢測(cè)和區(qū)分人體運(yùn)動(dòng)狀況的能力，包括脈搏監(jiān)測(cè)和手指運(yùn)動(dòng)等。利用個(gè)性化3D打印技術(shù)生產(chǎn)功能材料和設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)可穿戴電子系統(tǒng)中的各種傳感器的生物兼容性的優(yōu)化調(diào)整，為仿生皮膚的應(yīng)用開辟新路線。接下來南極熊就為大家詳解其中的原理以及應(yīng)用。

圖一 觸覺傳感器設(shè)計(jì)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(cè)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(gè)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(shí)以除去支撐層；
步驟VIII：干燥傳感器。

（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(biāo)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(guān)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(xì)絲狀（長(zhǎng)度為15mm，直徑為0.2mm）；
（f） 三種不同的循環(huán)壓力作用下，68 wt％銀/硅氧烷油墨傳感層的相對(duì)電流變化情況。

（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(cè)視圖和俯視圖，標(biāo)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(dòng)態(tài)壓力對(duì)應(yīng)的響應(yīng)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(shù)；
（h） 在初始?jí)毫��?00 kPa時(shí)，施加恒定應(yīng)變時(shí)觸覺傳感器的電流變化；
（i） 頻率為0.25Hz，壓力為100kPa時(shí)，進(jìn)行100次循環(huán)，觸覺傳感器裝置的電流變化。

（a）位于橈動(dòng)脈上方的觸覺傳感器照片，測(cè)量徑向脈沖信號(hào)；
（b）久坐情況下測(cè)量的脈沖信號(hào)；
（c）上下樓跑5分鐘后測(cè)量的脈沖信號(hào)；
（d-e）按壓和彎曲的情況下，動(dòng)態(tài)加載和循環(huán)次數(shù)對(duì)電流信號(hào)變化的影響；
（f）3D打印觸覺傳感器位于人的指尖，標(biāo)尺為4mm；
（g）當(dāng)用手指按壓觸覺傳感器時(shí)，其電流信號(hào)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(biāo)尺為 2mm；
（i）在三角形玻璃（0.096g）上放置質(zhì)量為50g的物體時(shí)，壓力分布的信號(hào)映射。

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(shí)驗(yàn)證實(shí)該傳感器對(duì)應(yīng)變、壓力等的變化能夠進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，此外通過在人體上的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)該傳感器對(duì)機(jī)械信號(hào)十分敏感，可以準(zhǔn)確檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)狀況。這一研究成果的發(fā)表為個(gè)性化3D打印傳感器開辟了新的路線。

來源：材料人網(wǎng)
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