中科院 l 具有高回弹和低滞后特性的3D打印多功能柔性传感器

|3DScienceValley· 2022/04/01

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

柔性可穿戴传感器具有高延展性和便携性，它被广泛应用于健康诊断、运动监测和康复等领域。然而，由于软材料的固有粘弹性，迟滞现象在柔性传感器中普遍存在，这是一个有待解决的问题。

来自中国科学院的翁子骧和吴立新团队开发了一种含有离子液体（ILs）和丙烯酸单体的光固化树脂。通过数字光处理（DLP）3D打印定制的多孔离子凝胶柔性传感器（PIFS）表现出更高的压力灵敏度和更低的滞后性，在长期加载期间可提供稳定的信号。此外，PIFS 还具有抗菌和精确检测温度的功能。一系列结构定制的PIFS，可以用于监测脉搏、手指、步态和其它人体运动。

相关论文“Tailoring of photocurable ionogel toward high resilience and low hysteresis 3D printed versatile porous flexible sensor”发表于杂志Chemical Engineering Journal上。本期谷.专栏，将分享这一科研成果的主要内容。

3D打印复杂多孔结构

如图1所示，研究人员利用基于丙烯酸单体和ILs的光固化树脂，使用DLP 3D打印机制备了PIFS。其中，丙烯酸-2-羟乙基酯（HEA）具有更快的光聚合速率，用作DLP 3D打印的基础单体。聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA-700）可以防止打印结构溶解在单体中，提高打印分辨率，用作交联剂。丙烯酸异冰片酯（IBOA）同样具有更快的光聚合速率，可以提高打印结构的拉伸强度，用作共聚单体。1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（[EMIM]Cl）是一种ILs，结合ILs制得的离子凝胶的导电性随温度和ILs浓度的增加而升高。一系列具有复杂多孔结构（如有机框架、空心足球和各种晶格结构）的PIFS已成功制备。

图1 3D打印定制PIFS

如图2所示，为了提高传感器的压缩应变能力，PIFS在设计上采用了以弯曲为主的晶格结构。在相同的表观体积下，具有晶格结构的柔性传感器重量约为实体结构的三分之一。具有晶格结构的PIFS表现出很好的弹性，更好的能量吸收能力，即使在被汽车碾压后也能迅速恢复，并且没有ILs从聚合物基体中泄漏。

图2 PIFS的压缩性能和灵敏度

如图3所示，研究人员通过动态循环加载实验，观察电阻信号变化，进一步研究了PIFS的传感性能。PIFS能够检测微小形变。得益于多孔晶格结构的设计，在压缩过程中，PIFS多孔结构的变形降低了弹性体基体粘弹性的影响，具有低滞后性。此外，在高速和长期循环加载期间，PIFS具有高弹性，可以快速恢复其原始形状，输出稳定信号来满足需求。

图3 PIFS的传感性能

晶格结构的PIFS具有更好的压力灵敏度，它可用于检测极小的压力变化。如图4所示，研究人员设计了一系列结构定制的PIFS作为可穿戴传感器来监测人体运动。将具有多孔结构的柔性膜连接到腕部皮肤，以评估腕部的弯曲程度。传感器可以清楚地区分手腕的向前和向后弯曲姿势。将具有多孔网格结构的鞋垫放置在鞋子中，以记录人类的行走和跑步姿态。晶格结构的引入，使传感器足够轻巧，并改善了佩戴体验。

图4 用于实时检测人体运动的3D打印定制PIFS

如图5所示，研究人员通过差示扫描量热法（DSC）测定了PIFS的玻璃化转变温度（Tg）。相对较低的Tg表明PIFS在低温环境中仍然可用。研究人员将手指套PIFS冷冻了一天，手指套PIFS依然能提供稳定且可逆的信号。PIFS在低温下具有更高的温度灵敏度，能检测到很小的温度变化，可用作温度传感器，实时监测温度。

图5 PIFS的感热特性和温度传感性能

综上所述，研究人员开发了一种含有离子液体（ILs）和丙烯酸单体的光固化树脂。通过数字光处理（DLP）3D打印定制的多孔离子凝胶柔性传感器（PIFS）表现出更高的压力灵敏度和更低的滞后性，在长期加载期间可提供稳定的信号。此外，PIFS还具有抗菌和精确检测温度的功能。一系列结构定制的PIFS，可以用于监测脉搏、手指、步态和其它人体运动。DLP 3D打印PIFS是一种很有前途的人类穿戴候选产品，它可以进一步促进可穿戴电子产品的发展。

l 谷专栏 l

欢迎高校及科研机构、企业科学家加入谷专栏，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果，欢迎扫描下方图片二维码提交您的信息。