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(cè)

來源:MEMS

南極熊獲悉，近期，西蒙弗雷澤大學(xué)（Simon Fraser University）機(jī)電系統(tǒng)工程學(xué)院增材制造實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出一種基于3D打印折紙結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，通過電感電容（LC）傳感器和單極天線實(shí)現(xiàn)無線壓力監(jiān)測(cè)。將具有三浦折疊（Miura-ori）結(jié)構(gòu)的個(gè)性化智能鞋墊和導(dǎo)電3D打印傳感器利用3D打印技術(shù)無縫結(jié)合。該壓力傳感器可無線監(jiān)測(cè)不同姿勢(shì)的足壓力，其靈敏度在0~9 kPa和10~40 kPa的壓力范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)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(yùn)動(dòng)裝備等各種應(yīng)用。相關(guān)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(jié)構(gòu)智能鞋墊

壓力監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)是用于健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵元件。足底壓力監(jiān)測(cè)可幫助了解足部健康狀況，對(duì)2型糖尿病患者的足部潰瘍進(jìn)行早期診斷，并有助于推進(jìn)鞋類設(shè)計(jì)與開發(fā)，以及推進(jìn)步態(tài)分析和運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)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(shè)備結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。無線連接可讓設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，為用戶提供更加舒適的體驗(yàn)。因此，基于無線通信技術(shù)的可穿戴傳感器在醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及智能輔助機(jī)器人等領(lǐng)域獲得越來越多關(guān)注。

Miura-ori結(jié)構(gòu)是一種非常獨(dú)特的折紙結(jié)構(gòu)，被廣泛研究并應(yīng)用于工程和建筑等領(lǐng)域。與單層折紙結(jié)構(gòu)相比，基于柔性聚合物材料制備的多層Miura-ori結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(diǎn)。通過以不同方式堆疊Miura-ori結(jié)構(gòu)，可獲得力學(xué)性能可調(diào)的彈簧狀桁架結(jié)構(gòu)。Miura-ori結(jié)構(gòu)在壓縮作用下，其變形結(jié)果可預(yù)測(cè)，并非隨機(jī)變形。目前，折紙結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于傳感、封裝、保護(hù)和沖擊能量吸收等領(lǐng)域，尤其是Miura-ori結(jié)構(gòu)，具有更高的強(qiáng)度和更優(yōu)異的沖擊能量吸收能力。

在該項(xiàng)工作中，研究人員開發(fā)了一種基于折紙結(jié)構(gòu)的新型無線壓力傳感器，使用了多項(xiàng)3D打印技術(shù)，包括用于柔性鞋墊的熔絲制造（FFF）技術(shù)，用于LC傳感器的墨水直寫（DIW）技術(shù)，以及用于蛇形結(jié)構(gòu)的多向3D打印技術(shù)�；�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(hào)傳輸，無需任何電池供電設(shè)備。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同壓力范圍內(nèi)，其靈敏度分別為−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa，可通過改變折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行定制。因此，可以使用包含減震折紙?jiān)O(shè)計(jì)的個(gè)性化鞋墊來監(jiān)測(cè)足底壓力。該折紙結(jié)構(gòu)既是壓力傳感器的主要部分，也是支撐用戶體重的整個(gè)鞋墊結(jié)構(gòu)。

該3D打印的柔性折紙鞋墊可用于遠(yuǎn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)與LC傳感器結(jié)合體作為壓力傳感裝置，可以從電信號(hào)中檢測(cè)機(jī)械變形。折紙鞋墊可以根據(jù)用戶重量進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)具有更高靈敏度的遠(yuǎn)場(chǎng)傳感范圍。

△3D結(jié)構(gòu)鞋墊設(shè)計(jì)及模型仿真結(jié)果

△“有/沒有”周圍折紙的折紙壓力傳感器的靈敏度測(cè)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(gè)性化使用。通過利用多種3D打印技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了一種具有成本效益的定制化智能鞋墊，可用于個(gè)性化的健康監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)研究將有助于人們通過無線壓力傳感器更簡(jiǎn)單地進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和疾病早期診斷。

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