《Science Reports》:蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院開發(fā)了帶有集成傳感器的3D打印鞋墊

導(dǎo)讀：臨床上對更精確和個(gè)性化的健康監(jiān)測技術(shù)的需求越來越多，要求持續(xù)開發(fā)增材制造的可穿戴設(shè)備。雖然增材制造的材料范圍不斷擴(kuò)大，但在一個(gè)統(tǒng)一的工作流程中整合材料、設(shè)計(jì)和數(shù)字制造方法仍然具有挑戰(zhàn)性。


2023年3月，南極熊獲悉，來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種帶有集成傳感器的 3D 打印鞋墊，可以在鞋子中測量鞋底的壓力，從而在任何活動(dòng)中測量鞋底的壓力。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Science Reports》上，題目為《Digital manufacturing of personalised footwear with embedded sensors》(《帶有嵌入式傳感器的個(gè)性化鞋類的數(shù)字化制造》）

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一個(gè)3D打印平臺，用于綜合制造帶有嵌入式壓阻傳感器的硅基軟質(zhì)可穿戴設(shè)備。開發(fā)了一種含有纖維素納米晶體和碳黑填充物的硅基油墨，利用直寫式3D打印技術(shù)制造了鞋墊，其封裝的傳感器能夠測量法向和剪切力。

●通過對材料特性進(jìn)行微調(diào)以達(dá)到預(yù)期的足底壓力，病人定制的鞋墊在室溫下被完全3D打印出來，以測量身體活動(dòng)中的原地步態(tài)力。
●此外，數(shù)字化方法允許快速調(diào)整傳感器布局以滿足特定的用戶需求，從而在多次快速迭代中制造出改進(jìn)的鞋墊。
●所開發(fā)的材料和工作流程使新一代的全3D打印軟性電子設(shè)備能夠用于健康監(jiān)測。

研究內(nèi)容



油墨配方
根據(jù)所提出的數(shù)字制造平臺配制了適用性的油墨材料。研究人員準(zhǔn)備了一套符合DIW所要求的流變學(xué)行為的墨水，這些墨水還具有打印功能傳感器和機(jī)械可調(diào)控的結(jié)構(gòu)。

研究人員的油墨配方是基于一種市售的有機(jī)硅彈性體，然后用兩種類型的功能性填充物顆粒進(jìn)行復(fù)合：
●首先，表面改性的纖維素納米晶體（CNC）被用作結(jié)構(gòu)填料，以改變油墨的流變特性和鞋墊承重部分的機(jī)械反應(yīng)。納米纖維素被甲基三甲氧基硅烷（MTMS）功能化，以增強(qiáng)其對硅酮的表面親和力，從而促進(jìn)與基礎(chǔ)彈性體的混合。

●其次，碳黑顆粒形式的功能性填料被納入流變優(yōu)化的有機(jī)硅中，以打印鞋墊傳感器的壓阻元件。這些導(dǎo)電的填充物顆粒有望在硅基復(fù)合材料內(nèi)形成一個(gè)滲流網(wǎng)絡(luò)，在施加外力時(shí)使其電阻發(fā)生變化。通過在硅基中加入改性的CNC，我們能夠調(diào)整油墨的流變特性和固化后印刷材料的機(jī)械響應(yīng)。

●在流變學(xué)方面行為，當(dāng)CNC濃度超過5.0%(w/w)時(shí)，油墨從流體變成了粘彈性材料。固化后的油墨的機(jī)械性能也受到CNC存在的強(qiáng)烈影響。拉伸試驗(yàn)表明，與純硅膠相比，CNC顆粒的網(wǎng)絡(luò)形成能力導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度分別提高了2倍和5倍。

●添加CNC不僅使我們能夠改變墨水的流變特性和剛度，而且還能獲得各向異性的機(jī)械反應(yīng)。由于材料在通過噴嘴擠壓過程中所經(jīng)歷的剪切力和延伸力，拉長的CNC顆粒會沿著施加的流動(dòng)方向排，這導(dǎo)致了具有各向異性的微觀結(jié)構(gòu)和性能的打印線，并使我們有機(jī)會僅僅通過確定打印過程中擠壓機(jī)的移動(dòng)模式來進(jìn)一步作用于打印鞋墊的強(qiáng)度。除了油墨配方外，打印件的機(jī)械性能也可以通過改變網(wǎng)格型結(jié)構(gòu)中打印線的密度來輕松調(diào)整。研究人員發(fā)現(xiàn)填充系數(shù)從25增加到100%可以將網(wǎng)格的抗壓剛度從3MPa提高到近8MPa



傳感器性能
利用上述材料和打印系統(tǒng)，研究人員開發(fā)了可集成到柔性鞋墊中監(jiān)測步態(tài)的正常和剪切力傳感器設(shè)計(jì)。具有簡單應(yīng)變設(shè)計(jì)的傳感器是通過在含有5.0%(w/w)CNC的結(jié)構(gòu)性油墨打印的基底上DIW打印含有4.0%(w/w)炭黑的壓阻性油墨而制造的。正常的壓力感應(yīng)是通過一個(gè)傳感器配置實(shí)現(xiàn)的，該配置采用了一個(gè)位于兩個(gè)平行銀電極上的矩形壓阻元件。這種傳感器的工作原理是依靠由正常壓縮引起的拉伸應(yīng)變引起的傳感儀縱向?qū)щ娐窂缴系碾娮柙黾?/strong>。 為了測量剪切力，研究人員使用了第二個(gè)傳感器配置，由兩個(gè)平行放置的壓阻元件組成。在這種設(shè)計(jì)中，兩個(gè)元件之間的電阻差被用來量化施加的剪切力。利用具有雪佛龍形狀的壓阻元件，在一個(gè)方向上引入機(jī)械順應(yīng)性，在相反的方向上引入電阻，從而在相同的剪切力下，兩個(gè)元件之間產(chǎn)生應(yīng)變差。所有傳感器的應(yīng)變片上都有一個(gè)凸點(diǎn)，由更堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)性油墨（12.5%(w/w)CNC）打印而成，以使力的傳遞更有效，并保持一致。（更多內(nèi)容可下載原文查看）

結(jié)論
●研究人員已經(jīng)開發(fā)了用于制造帶有集成壓阻傳感器的全3D打印鞋墊的功能性油墨，該鞋墊適用于對人類步態(tài)進(jìn)行正常和剪切壓力監(jiān)測。

●通過將這些傳感器放置在鞋墊的病人特定位置，有可能識別和量化步態(tài)情況。

●由于原料材料是易得的，并且可以在室溫下使用基于桌面擠壓的打印機(jī)進(jìn)行加工，所以這個(gè)制造平臺具有成本效益，并且可以很容易地轉(zhuǎn)化為矯形設(shè)施，醫(yī)生和矯形專家可以就地對鞋墊進(jìn)行調(diào)整。

●此外，油墨配方中使用的有機(jī)硅的生物相容性使產(chǎn)品具有更高的性價(jià)比。
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