用于人體運動預(yù)測和健康監(jiān)測的3D打印保形應(yīng)變和濕度傳感器

第一作者：Yanbei Hou
通訊作者：Kun Zhou
通訊單位：南洋理工大學(xué)


在過去的十年里，可穿戴傳感器在電子皮膚、智能人機交互、軟機器人和能量采集等不同領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注。人們對開發(fā)用于定期和連續(xù)監(jiān)測人體運動和健康狀況的可穿戴傳感器越來越感興趣。近年來，隨著信息技術(shù)的進步，基于分布式傳感器的數(shù)據(jù)驅(qū)動醫(yī)療監(jiān)控可以提供實時的安全相關(guān)信息。監(jiān)測這些信息對于在個人健康指標(biāo)異常時及時就醫(yī)以及避免錯過最佳治療時間至關(guān)重要。傳統(tǒng)的制造方法主要是涂覆、鑄造、真空沉積和聚合，然后對傳感器進行定制和組裝，以適應(yīng)人類的運動。受制造技術(shù)的限制，傳統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝復(fù)雜，與人體的一致性較差。開發(fā)了可持續(xù)獨立運行的自供電可穿戴傳感器，可通過機械、熱能、太陽能、生物化學(xué)或射頻（RF）能量采集驅(qū)動。為了增強保形性和功能集成，正在研究保形制造技術(shù)，如轉(zhuǎn)移打印和直接打印，用于在3D自由曲面上制造和集成可變形傳感器。探索可擴展制造方法的進一步可能性是非常有興趣的，這些方法能夠快速生產(chǎn)具有多功能的傳感器，并直接制造具有集成傳感器的設(shè)備。

孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和天然外殼的特殊多層結(jié)構(gòu)賦予了它們卓越的光學(xué)和機械性能。根據(jù)自然界中發(fā)現(xiàn)的例子，很明顯，使用多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料可以獲得特殊的性能。例如，為天然貝殼設(shè)計的仿生復(fù)合材料可以獲得顯著的剛度和韌性�？梢酝ㄟ^適當(dāng)?shù)牟牧线x擇來設(shè)計具有響應(yīng)性和功能性的多層聚合物復(fù)合材料。人們越來越認識到，組裝方法對多層聚合物復(fù)合材料的物理化學(xué)性能有很大影響。然而，制備多層結(jié)構(gòu)的方法是復(fù)雜的，例如旋涂、噴涂和沉積。這些方法都不能直接制備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多層產(chǎn)品。因此，應(yīng)該采用一種新的制備方法來制備這種性能優(yōu)異的多層結(jié)構(gòu)。

具有可控幾何形狀和設(shè)計的定制功能結(jié)構(gòu)的3D打印可以通過提供必要的一致性來解決傳統(tǒng)制造方法的局限性。由于生產(chǎn)速度的限制，使用3D打印技術(shù)高效生產(chǎn)可穿戴設(shè)備的挑戰(zhàn)仍然存在。粉末床融合（PBF）是ISO/ASTM52900-21定義的3D打印技術(shù)的一個重要類別。它涉及粉末材料的逐層選擇性融合，通過能源形成3D物體。多射流融合（MJF）是一種新的PBF技術(shù)，它利用多個射流將粉末狀聚合物材料選擇性地融合成具有無支撐結(jié)構(gòu)的高分辨率零件，與其他現(xiàn)成的3D打印技術(shù)相比，提供了一種更快速的制造方法。在MJF中，在粉末層被紅外線燈照射之前，根據(jù)計算機輔助設(shè)計模型，在每個粉末層上選擇性地沉積兩種類型的印刷油墨（即，熔融劑（FA）和細化劑），以形成所需的圖案。黑色FA吸收來自紅外光的熱能，并使選擇性區(qū)域中的粉末顆粒能夠融合在一起。無色細化劑沉積在熔融區(qū)域的邊界，以降低周圍粉末顆粒的溫度，從而確保印刷零件的復(fù)雜細節(jié)。MJF允許選擇性沉積多種墨水來打印多功能集成傳感器，正如我們早期的工作所證明的那樣，我們在早期的工作中確定了自制功能墨水可以顯著提高打印部件的導(dǎo)電性和機械性能。然而，逐層加工技術(shù)的優(yōu)點尚未得到徹底的研究。

導(dǎo)電材料，如石墨烯納米板（GNP）、碳納米管（CNT）和一些金屬，通常與柔性基板相結(jié)合來制造傳感器。[16] GNP與CNTs的組裝可以產(chǎn)生具有不同于單個組件的新結(jié)構(gòu)特征和性能的雜化材料，這可以帶來更好的功能性能。將GNP和CNT結(jié)合設(shè)計層壓復(fù)合材料已被廣泛研究用于超級電容器、透明導(dǎo)體和鋰離子電池。由于CNT可以橋接電子轉(zhuǎn)移缺陷并有效防止GNP的不可逆聚集，這些材料的性能得到了極大的提高。此外，雜化物具有不同尋常的插層性能、高儲存性和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，GNP–CNTs雜化物有望提高GNP或CNTs作為獨立電極材料的潛力。

本文亮點

1. 本工作合成了一種用于多射流融合（MJF）印刷的導(dǎo)電石墨烯納米板碳納米管（GC）油墨。MJF的逐層制造工藝不僅提高了印刷GC傳感器的機械和阻燃性能，而且增強了其穩(wěn)健性和靈敏度。

2. 利用GC傳感器收集的阻力變化數(shù)據(jù)來訓(xùn)練支持向量機，其預(yù)測人體運動的準(zhǔn)確率為95.83%。

3. 由于其穩(wěn)定的濕度敏感性，該傳感器在監(jiān)測人類呼吸和預(yù)測呼吸模式（正常、快速和深呼吸）方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，從而擴大了其在醫(yī)療保健中的潛在應(yīng)用。

圖文解析

圖1. GC傳感器的制造和應(yīng)用。a） MJF試驗臺設(shè)置示意圖；b） 印刷過程中的選擇性噴墨和GC油墨的示意圖；c） GC傳感器的部件說明；d） GC傳感器的應(yīng)用場景；e） GC油墨的流變行為；f） MJF一次打印的定義；g） 印刷蝴蝶圖案的數(shù)字圖像和紅外圖像的不同通過。

圖2. GC/TPU復(fù)合材料的表征。a） 3道次/TPU樣品斷裂表面的光學(xué)顯微鏡圖像；b–d）具有不同放大倍數(shù)的3遍/TPU樣品的SEM圖像；e） 印刷GC/TPU復(fù)合材料的珍珠層結(jié)構(gòu)示意圖；f） 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和g）從TPU和GC/TPU復(fù)合材料的拉伸測試中收集的數(shù)據(jù)；h） 具有不同變形的GC/TPU樣品的數(shù)字圖像；i） TPU和GC/TPU復(fù)合材料的TGA和j）HRR曲線；k） 印刷GC/TPU復(fù)合材料的燃燒行為。

圖3. 所制造的GC傳感器的機電特性和人體運動監(jiān)測測試。a） GC傳感器在不同變形下的檢測信號；b） 歸一化應(yīng)變阻力的變化；c） GC傳感器拉伸棒在5%伸長率下1000次拉伸-釋放循環(huán)的循環(huán)測試結(jié)果；GC傳感器監(jiān)測d）向外彎曲和e）向內(nèi)彎曲的響應(yīng)信號；f） 導(dǎo)電層在外力作用下的變化示意圖。g） 印刷GC傳感器的設(shè)計與應(yīng)用；在h）手指和i）肘部彎曲時收集的GC傳感器的輸出信號；j） 基于佩戴在手腕上的兩個GC傳感器的緊急信號識別。

圖4. ML的工作機制及其潛在應(yīng)用。a） 用于運動預(yù)測的多類SVM分類器的示意圖；b） 所制造的GC傳感器的潛在應(yīng)用場景；c） 收集的不同運動的數(shù)據(jù)；SVM結(jié)果與d）線性和e）多項式核函數(shù)的混淆圖，i）行走，ii）跑步，iii）坐下，iv）跳躍，v）爬樓梯，以及vi）蹲下。

圖5. GC傳感器的濕度敏感性和潛在應(yīng)用。a） 一種具有傳感器功能的濾波器及其應(yīng)用場景；c） GC傳感器從室內(nèi)環(huán)境到高濕度環(huán)境再回到室內(nèi)環(huán)境的電阻變化；d） GC濕度傳感器的循環(huán)測試；e） 正常呼吸、快速呼吸和深呼吸的呼吸測試結(jié)果；f） 從不同呼吸模式獲得的輸出數(shù)據(jù)；SVM結(jié)果與g）線性h）和多項式核函數(shù)的混淆圖；i） 附在掩模上的GC傳感器檢測到的信號以及測試期間連接的燈的亮度變化；j） GC傳感器的水分附著和部門示意圖。