基于3D打印折纸压力传感器阵列的无线压力监测系统

据麦姆斯咨询报道，近期，西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）机电系统工程学院增材制造实验室的研究人员开发出一种柔性压力传感器阵列。这种传感器采用了独特的柱状折纸（Pillar-Origami）结构，利用3D打印技术优势，实现了对传感器刚度和压力测量范围的精确控制。该柔性压力传感器具有很强的适应性，检测范围覆盖70 kPa ~ 2500 kPa，灵敏度介于0.01 kPa⁻¹ ~ 0.0002 kPa⁻¹之间，响应时间仅为800 ms，这些特性使其在生物医学和体育科技等领域拥有广泛的应用前景。相关研究成果以“Wireless pressure monitoring system utilizing a 3D-printed Origami pressure sensor array”为题发表在npj Flexible Electronics期刊上。

在这项研究工作中，研究人员采用了双喷嘴熔融沉积建模（FDM）3D打印技术。这种方法能够在单步工艺中同时打印出柔性传感器的结构体及其导电部件，有效解决了层间粘附问题。此外，由于压力测量阵列采用模块化传感单元，研究人员能够根据终端用户的具体需求，灵活定制压力测量垫的尺寸、形状和分辨率。值得一提的是，如果传感器阵列中的任一传感器发生故障，可以单独更换损坏的传感单元，而无需更换整个装置。这样的设计不仅降低了维护成本，而且增加了压力测量垫的可持续性，有助于延长使用寿命。

该压力测量垫由两个基本要素构成：阵列和传感单元。根据应用需求和用户特定要求，传感器阵列可以设计成不同的形状和尺寸。传感单元包括两个关键部件：传感器的基底结构和电介质结构。通过将双结构设计巧妙地整合在测量垫基底结构中，实现了对其刚度的精确控制。这种独特的结构设计被称为柱状折纸（PO）结构，它使得传感器的刚度可以根据不同的压力传感应用需求进行精确调节，从而确保压力测量的精确度和适用范围。

图1 可灵活定制的柱状折纸结构压力测量垫

图2 柱状折纸结构的刚度可调节性

采用柱状折纸结构设计的3D打印压力测量垫，为医疗保健和体育科技等领域提供了一个既经济又高适应性的压力测量解决方案，解决了市场上现有压力测量垫在尺寸和传感精度方面普遍存在的局限。基于柱状折纸结构的压力传感器展示出了多样化的刚度特性，能够有效过滤皮肤形变，实现高精度的电容式压力传感。该传感器的检测范围可调，覆盖70 kPa ~ 2500 kPa，灵敏度介于0.01 kPa⁻¹ ~ 0.0002 kPa⁻¹之间，并且响应速度快，仅需800 ms，性能优异。此外，通过引入模块化传感器阵列，不仅提升了维护的便利性，还能更灵活地调整和提高测量分辨率。

图3 柱状折纸结构的压力传感性能

图4 用于医疗保健监测的柱状折纸结构压力测量垫

这项研究基于独特的柱状折纸结构，实现了可定制的无线压力测量垫。该技术可实际应用于无线脚压测量和运动保护垫，标志着柔性且可定制形状的压力传感器技术发展的重要进程。未来，该技术有望在生物医学和运动应用等多个领域展现出广阔的发展前景。

审核编辑：黄飞