基于3D打印的無電池折紙壓力傳感器，用于無線壓力監(jiān)測

來源:MEMS

南極熊獲悉，近期，西蒙弗雷澤大學（Simon Fraser University）機電系統(tǒng)工程學院增材制造實驗室的研究人員開發(fā)出一種基于3D打印折紙結構的壓力傳感器，通過電感電容（LC）傳感器和單極天線實現(xiàn)無線壓力監(jiān)測。將具有三浦折疊（Miura-ori）結構的個性化智能鞋墊和導電3D打印傳感器利用3D打印技術無縫結合。該壓力傳感器可無線監(jiān)測不同姿勢的足壓力，其靈敏度在0~9 kPa和10~40 kPa的壓力范圍內可調，調節(jié)范圍為15.7~2.1 MHz/kPa。該無線壓力傳感器可用于矯形器、假肢和運動裝備等各種應用。相關研究成果已發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

△本研究提出的無線折紙壓力傳感器和3D結構智能鞋墊

壓力監(jiān)測結構是用于健康監(jiān)測和運動生物力學的可穿戴設備的關鍵元件。足底壓力監(jiān)測可幫助了解足部健康狀況，對2型糖尿病患者的足部潰瘍進行早期診斷，并有助于推進鞋類設計與開發(fā)，以及推進步態(tài)分析和運動生物力學研究。雖然已有研究人員開發(fā)了有線足壓傳感器，但有線連接使傳感設備結構變得復雜。無線連接可讓設計變得簡單，為用戶提供更加舒適的體驗。因此，基于無線通信技術的可穿戴傳感器在醫(yī)療和生物醫(yī)學應用以及智能輔助機器人等領域獲得越來越多關注。

Miura-ori結構是一種非常獨特的折紙結構，被廣泛研究并應用于工程和建筑等領域。與單層折紙結構相比，基于柔性聚合物材料制備的多層Miura-ori結構強度顯著提高，具有高表面積比、可拉伸性和剛性可折疊性等優(yōu)點。通過以不同方式堆疊Miura-ori結構，可獲得力學性能可調的彈簧狀桁架結構。Miura-ori結構在壓縮作用下，其變形結果可預測，并非隨機變形。目前，折紙結構已廣泛應用于傳感、封裝、保護和沖擊能量吸收等領域，尤其是Miura-ori結構，具有更高的強度和更優(yōu)異的沖擊能量吸收能力。

在該項工作中，研究人員開發(fā)了一種基于折紙結構的新型無線壓力傳感器，使用了多項3D打印技術，包括用于柔性鞋墊的熔絲制造（FFF）技術，用于LC傳感器的墨水直寫（DIW）技術，以及用于蛇形結構的多向3D打印技術。基于3D打印的折紙壓力傳感器利用射頻（RF）通信作為壓力傳感的信號傳輸，無需任何電池供電設備。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同壓力范圍內，其靈敏度分別為−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa，可通過改變折紙結構的設計參數進行定制。因此，可以使用包含減震折紙設計的個性化鞋墊來監(jiān)測足底壓力。該折紙結構既是壓力傳感器的主要部分，也是支撐用戶體重的整個鞋墊結構。

該3D打印的柔性折紙鞋墊可用于遠場無線足底壓力傳感。具體而言，將基于3D打印的鏡面堆疊Miura-ori多層結構與LC傳感器結合體作為壓力傳感裝置，可以從電信號中檢測機械變形。折紙鞋墊可以根據用戶重量進行定制，可以承受從低壓到50~80公斤的人體重量壓力。其傳感組件包括3D打印的LC傳感器和通過多向3D打印的嵌入式電感器，能夠實現(xiàn)具有更高靈敏度的遠場傳感范圍。

△3D結構鞋墊設計及模型仿真結果

△“有/沒有”周圍折紙的折紙壓力傳感器的靈敏度測試

總而言之，該研究提出的基于3D折紙的無線壓力傳感器可用于寬壓力范圍傳感以及個性化使用。通過利用多種3D打印技術，研究人員實現(xiàn)了一種具有成本效益的定制化智能鞋墊，可用于個性化的健康監(jiān)測。該項研究將有助于人們通過無線壓力傳感器更簡單地進行健康監(jiān)測和疾病早期診斷。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00465-0