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具有高回彈和低滯后特性的3D打印多功能柔性傳感器

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柔性可穿戴傳感器具有高延展性和便攜性，它被廣泛應(yīng)用于健康診斷、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和康復(fù)等領(lǐng)域。然而，由于軟材料的固有粘彈性，遲滯現(xiàn)象在柔性傳感器中普遍存在，這是一個(gè)有待解決的問題。

來自中國科學(xué)院的翁子驤和吳立新團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種含有離子液體（ILs）和丙烯酸單體的光固化樹脂。通過數(shù)字光處理（DLP）3D打印定制的多孔離子凝膠柔性傳感器（PIFS）表現(xiàn)出更高的壓力靈敏度和更低的滯后性，在長期加載期間可提供穩(wěn)定的信號(hào)。此外，PIFS 還具有抗菌和精確檢測(cè)溫度的功能。一系列結(jié)構(gòu)定制的PIFS，可以用于監(jiān)測(cè)脈搏、手指、步態(tài)和其它人體運(yùn)動(dòng)。

相關(guān)論文“Tailoring of photocurable ionogel toward high resilience and low hysteresis 3D printed versatile porous flexible sensor”發(fā)表于雜志Chemical Engineering Journal上。

3D打印復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)

如圖1所示，研究人員利用基于丙烯酸單體和ILs的光固化樹脂，使用DLP 3D打印機(jī)制備了PIFS。其中，丙烯酸-2-羥乙基酯（HEA）具有更快的光聚合速率，用作DLP 3D打印的基礎(chǔ)單體。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA-700）可以防止打印結(jié)構(gòu)溶解在單體中，提高打印分辨率，用作交聯(lián)劑。丙烯酸異冰片酯（IBOA）同樣具有更快的光聚合速率，可以提高打印結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度，用作共聚單體。1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（[EMIM]Cl）是一種ILs，結(jié)合ILs制得的離子凝膠的導(dǎo)電性隨溫度和ILs濃度的增加而升高。一系列具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)（如有機(jī)框架、空心足球和各種晶格結(jié)構(gòu)）的PIFS已成功制備。

圖1 3D打印定制PIFS

如圖2所示，為了提高傳感器的壓縮應(yīng)變能力，PIFS在設(shè)計(jì)上采用了以彎曲為主的晶格結(jié)構(gòu)。在相同的表觀體積下，具有晶格結(jié)構(gòu)的柔性傳感器重量約為實(shí)體結(jié)構(gòu)的三分之一。具有晶格結(jié)構(gòu)的PIFS表現(xiàn)出很好的彈性，更好的能量吸收能力，即使在被汽車碾壓后也能迅速恢復(fù)，并且沒有ILs從聚合物基體中泄漏。

圖2 PIFS的壓縮性能和靈敏度

如圖3所示，研究人員通過動(dòng)態(tài)循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)，觀察電阻信號(hào)變化，進(jìn)一步研究了PIFS的傳感性能。PIFS能夠檢測(cè)微小形變。得益于多孔晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在壓縮過程中，PIFS多孔結(jié)構(gòu)的變形降低了彈性體基體粘彈性的影響，具有低滯后性。此外，在高速和長期循環(huán)加載期間，PIFS具有高彈性，可以快速恢復(fù)其原始形狀，輸出穩(wěn)定信號(hào)來滿足需求。

圖3 PIFS的傳感性能

晶格結(jié)構(gòu)的PIFS具有更好的壓力靈敏度，它可用于檢測(cè)極小的壓力變化。如圖4所示，研究人員設(shè)計(jì)了一系列結(jié)構(gòu)定制的PIFS作為可穿戴傳感器來監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。將具有多孔結(jié)構(gòu)的柔性膜連接到腕部皮膚，以評(píng)估腕部的彎曲程度。傳感器可以清楚地區(qū)分手腕的向前和向后彎曲姿勢(shì)。將具有多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的鞋墊放置在鞋子中，以記錄人類的行走和跑步姿態(tài)。晶格結(jié)構(gòu)的引入，使傳感器足夠輕巧，并改善了佩戴體驗(yàn)。

圖4 用于實(shí)時(shí)檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的3D打印定制PIFS

如圖5所示，研究人員通過差示掃描量熱法（DSC）測(cè)定了PIFS的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。相對(duì)較低的Tg表明PIFS在低溫環(huán)境中仍然可用。研究人員將手指套PIFS冷凍了一天，手指套PIFS依然能提供穩(wěn)定且可逆的信號(hào)。PIFS在低溫下具有更高的溫度靈敏度，能檢測(cè)到很小的溫度變化，可用作溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度。

圖5 PIFS的感熱特性和溫度傳感性能

綜上所述，研究人員開發(fā)了一種含有離子液體（ILs）和丙烯酸單體的光固化樹脂。通過數(shù)字光處理（DLP）3D打印定制的多孔離子凝膠柔性傳感器（PIFS）表現(xiàn)出更高的壓力靈敏度和更低的滯后性，在長期加載期間可提供穩(wěn)定的信號(hào)。此外，PIFS還具有抗菌和精確檢測(cè)溫度的功能。一系列結(jié)構(gòu)定制的PIFS，可以用于監(jiān)測(cè)脈搏、手指、步態(tài)和其它人體運(yùn)動(dòng)。DLP 3D打印PIFS是一種很有前途的人類穿戴候選產(chǎn)品，它可以進(jìn)一步促進(jìn)可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展。