基于3D打印的各向异性压阻式压力传感器，实现方向力感知

各向异性压力传感器由于在识别不同方向力方面的敏感性，在下一代可穿戴电子设备和智能基础设施中越来越受到关注。3D打印技术在设计具有定制3D结构的各向异性压力传感器以实现可调各向异性方面具有无与伦比的优势。3D打印在利用压电纳米复合材料进行各向异性识别方面几乎没有成功案例。3D打印的各向异性压阻式压力传感器（PPS）尽管在节省极化过程方面很方便，但仍未得到开发。

据麦姆斯咨询报道，近日，四川大学张楚虹教授团队率先开发了一种含有水性聚氨酯（WPU）弹性体的可打印水性油墨。采用墨水直写（DIW）3D打印技术，制备了一种具有宏观3D结构和微观孔隙形态的各向异性PPS。这项研究强调了3D打印在为先进传感应用定制高灵敏度各向异性压力传感器方面的多功能性，这是传统方法难以实现的。相关研究成果以“3D Printing of Anisotropic Piezoresistive Pressure Sensors for Directional Force Perception”为题发表在Advanced Science期刊上。

下图显示了使用墨水直写3D打印集成冻干技术的海绵制造过程。首先，通过在超声波作用下混合单壁碳纳米管（SWCNT）、纤维素纳米纤维（CNF）和WPU，随后使用高速混合器分散，获得均匀的复合油墨。将获得的复合油墨从喷嘴挤出，通过逐层沉积构建任意的3D几何形状。随后，对打印的样品进行冻干以去除水分，并产生3D互连微孔。最后组装成传感装置。在对导电性和流变性能进行全面研究后，选择了6 wt% SWCNT的三元复合油墨。

油墨的制备及其流变行为

使用含有6 wt% SWCNT的WPU/SWCNT/CNF复合油墨可以直接打印所需的结构。“异形图案”、“分叉”、“蝙蝠”和“爱心”标志的代表性定制结构可以轻松构建。打印的3D晶格结构海绵的尺寸为10 mm × 10 mm × 10 mm，密度为0.12 g cm⁻³，足够轻，可以稳定地放置在叶子上。CNF使SWCNT均匀分散在CNF/WPU基体中，并且与WPU具有良好的亲和力。这非常有利于应力传递，增强海绵的机械性能。

三维互联WPU/SWCNT/CNF衍生海绵的3D打印

对3D打印的WPU/SWCNT/CNF复合晶格海绵与已报道的碳基复合材料的压阻性能进行了全面比较，以说明所提出方法的先进性。所设计的传感器在2.8-8.1 kPa的压力范围内具有较高的相对灵敏度1.22 （kPa*wt%）⁻¹，约为最先进的碳基导电复合气凝胶/泡沫压阻式压力传感器的五倍。这一优势主要归因于分级多孔海绵结构的应力放大效应。

3D打印WPU/SWCNT/CNF复合海绵的机械性能和压阻性能

3D打印WPU/SWCNT/CNF复合晶格除了具有出色机械和传感性能外，还采用结构设计通过调整压阻细丝的空间排列来完全控制方向响应。模拟结果表明，具有交叉单元结构的晶格在灵敏度方面具有各向异性特征。因此，可以通过调整打印方案来调整各向异性。所提出的策略是通过改变相邻层之间细丝的堆叠角度来实现的。

可调谐各向异性和方向响应的定制海绵的3D打印

考虑到晶格海绵器件的压阻性能，对其进行组装，探索其在机器人皮肤中的潜在应用。在手指点击、手臂挤压、脸颊鼓起和吞咽时获得了不同的信号，表明了其对不同大小力的传感能力。触觉传感器的成功演示表明其在机器人皮肤监测、人机交互和人工智能（AI）方面具有诱人的应用潜力。

由WPU/SWCNT/CNF衍生海绵作为活性层组装而成的可穿戴设备

总而言之，该研究首次通过墨水直写3D打印，使用包含基于WPU/SWCNT/CNF的弹性体导电复合材料的自制油墨，开发出具有宏观3D结构和微观孔隙形态的柔性3D PPS。所制备的PPS具有定制的各向异性“剪刀状”结构，表现出明显的方向识别能力，其各向异性可以通过调整打印方案轻松调节。此外，3D PPS在较宽的压力范围内（2.8-8.1 kPa）具有较高的相对灵敏度，超过了最先进的碳基导电复合气凝胶/泡沫衍生PPS。

论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309607

 

 

 

审核编辑：刘清