Adv. Mater.：3D打印在可延伸触觉传感器中的应用实例

【引言】

多功能器件3D打印方法的开发将进一步影响到可穿戴电子产品、能量收集装置、智能假肢和人机界面等领域。近来，随着功能材料种类的增多和制造工艺的不断进步，大大加快了可拉伸电子器件的发展。科研人员提出了很多新颖的方法，以便能够克服传统微细加工技术的机械限制，进一步提高人造皮肤电子装置的生物相容性。

【成果简介】

近日，明尼苏达大学Michael C. McAlpine教授（通讯作者）在Adv. Mater.上发表了其课题组的最新研究成果“3D Printed Stretchable Tactile Sensors”，研究人员采用多材料、多尺度和多功能的3D打印方法，在自由表面上加工生成了3D触觉传感器。个性化触觉传感器具有检测和区分人体运动状况的能力，包括脉搏监测和手指运动等。利用个性化3D打印技术生产功能材料和设备，可以实现可穿戴电子系统中的各种传感器的生物兼容性的优化调整，为仿生皮肤的应用开辟新路线。

【图文导读】

图1  触觉传感器设计原理和3D打印过程示意图

（a）触觉传感器的组成示意图：基底层、顶部和底部电极、隔离层、传感器层和支撑层；

（b）触觉传感器的侧视图；

（c）触觉传感器的俯视图；

（d）玻璃基板上触觉传感器的3D打印过程，包括8个步骤：

步骤I：打印面积为16mm²的方形硅氧烷基底层；

步骤II：使用75wt%银/硅氧烷油墨在基底层上打印9mm²的方形底部电极层；

步骤III：使用68 wt％银/硅氧烷油墨在电极层上打印半径为350μm，高为1mm，壁厚为150μm的圆筒壁作为传感器层；

步骤IV：使用硅氧烷油墨打印9mm²的隔离层；

步骤V：使用40 wt％普朗尼克墨水打印厚度为0.8mm的9mm²的方形支撑层；

步骤VI：使用75 wt％银/硅氧烷油墨打印4mm²的方形顶部电极层；

步骤VII：将传感器浸泡3小时以除去支撑层；

步骤VIII：干燥传感器。

图2  各种油墨的机械性能表征和传感行为

（a-b） SEM图表明Ag颗粒在68 wt％和75 wt％银/硅氧烷油墨中的分布，标尺为5μm；

（c） 具有不同Ag含量的固化油墨的拉伸曲线；

（d） 具有不同Ag含量的固化油墨的压缩曲线；

（e） 三种油墨的外加压力与其电阻的关系曲线，其中68 wt％Ag的样品为圆柱体（直径1mm，高度为1mm），70 wt％和80 wt％Ag的样品为细丝状（长度为15mm，直径为0.2mm）；

（f） 三种不同的循环压力作用下，68 wt％银/硅氧烷油墨传感层的相对电流变化情况。

图3  3D打印触觉传感器的感应行为

（a）SEM图，3D打印触觉传感器传感器层的俯视图；

（b-c）3D打印触觉传感器的侧视图和俯视图，标尺为200μm；

（d） 不同压力下触觉传感器的电流-电压特征曲线；

（e） 在0.125 Hz的输入频率下，200 kPa的动态压力对应的响应频率；

（f） 在200 kPa压力作用下，不同输入频率与电流变化曲线；

（g） 不同油墨材料和触觉传感器装置的平均压缩系数；

（h） 在初始压力为500 kPa时，施加恒定应变时触觉传感器的电流变化；

（i） 频率为0.25Hz，压力为100kPa时，进行100次循环，触觉传感器装置的电流变化。

图4  3D打印可伸缩触觉传感器的机械感应应用

（a）位于桡动脉上方的触觉传感器照片，测量径向脉冲信号；

（b）久坐情况下测量的脉冲信号；

（c）上下楼跑5分钟后测量的脉冲信号；

（d-e）按压和弯曲的情况下，动态加载和循环次数对电流信号变化的影响；

（f）3D打印触觉传感器位于人的指尖，标尺为4mm；

（g）当用手指按压触觉传感器时，其电流信号变化情况；

（h）位于触觉传感器（面积为1cm²）表面上的三角形玻璃物体的俯视图，标尺为 2mm；

（i）在三角形玻璃（0.096g）上放置质量为50g的物体时，压力分布的信号映射。

【小结】

本文采用不同含银量的银/硅氧烷油墨3D打印出微型触觉传感器，通过实验证实该传感器对应变、压力等的变化能够进行准确检测，此外通过在人体上的实验，进一步证实该传感器对机械信号十分敏感，可以准确检测人体的运动状况。这一研究成果的发表为个性化3D打印传感器开辟了新的路线。

文献连接：3D Printed Stretchable Tactile Sensors（Adv.Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701218）

本文由材料人编辑部卢海洲编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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