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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

魔猴君  行業(yè)資訊   931天前

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柔性可穿戴傳感器具有高延展性和便攜性,它被廣泛應用于健康診斷、運動監(jiān)測和康復等領域。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,這是一個有待解決的問題。

來自中國科學院的翁子驤和吳立新團隊開發(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(DLP3D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。此外,PIFS 還具有抗菌和精確檢測溫度的功能。一系列結構定制的PIFS,可以用于監(jiān)測脈搏、手指、步態(tài)和其它人體運動。

相關論文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打印復雜多孔結構

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打印的基礎單體。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA-700)可以防止打印結構溶解在單體中,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,可以提高打印結構的拉伸強度,用作共聚單體。1-丁基-3-甲基咪唑氯化物([EMIM]Cl)是一種ILs,結合ILs制得的離子凝膠的導電性隨溫度和ILs濃度的增加而升高。一系列具有復雜多孔結構(如有機框架、空心足球和各種晶格結構)的PIFS已成功制備。

1 3D打印定制PIFS

如圖2所示,為了提高傳感器的壓縮應變能力,PIFS在設計上采用了以彎曲為主的晶格結構。在相同的表觀體積下,具有晶格結構的柔性傳感器重量約為實體結構的三分之一。具有晶格結構的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,并且沒有ILs從聚合物基體中泄漏。

2 PIFS的壓縮性能和靈敏度

如圖3所示,研究人員通過動態(tài)循環(huán)加載實驗,觀察電阻信號變化,進一步研究了PIFS的傳感性能。PIFS能夠檢測微小形變。得益于多孔晶格結構的設計,在壓縮過程中,PIFS多孔結構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,可以快速恢復其原始形狀,輸出穩(wěn)定信號來滿足需求。

3 PIFS的傳感性能

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

4 用于實時檢測人體運動的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)測定了PIFS的玻璃化轉變溫度(Tg)。相對較低的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。PIFS在低溫下具有更高的溫度靈敏度,能檢測到很小的溫度變化,可用作溫度傳感器,實時監(jiān)測溫度。

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(DLP3D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。此外,PIFS還具有抗菌和精確檢測溫度的功能。一系列結構定制的PIFS,可以用于監(jiān)測脈搏、手指、步態(tài)和其它人體運動。DLP 3D打印PIFS是一種很有前途的人類穿戴候選產(chǎn)品,它可以進一步促進可穿戴電子產(chǎn)品的發(fā)展。


來源:https://www.3ddayin.net/3Ddayinfangan/42248.html

   
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