韓國全北國立大學(xué)和中國材料提供商武漢Chamtop的科學(xué)家合作3D打印的新型可穿戴式自供電傳感器。該團(tuán)隊(duì)的全印刷設(shè)備基于獨(dú)特的鋇負(fù)載PVDF聚合物，能夠有效地收集人類運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓電能量。當(dāng)傳感器安裝到陣列中時(shí)，被證明能夠使用這種電荷來檢測壓力輸入并將其轉(zhuǎn)換為信號(hào)，這是高性能添加劑可穿戴電子設(shè)備開發(fā)的重大進(jìn)步。

圖像顯示了正在跆拳道腰帶中測試的3D打印傳感器，研究人員通過將其安裝在跆拳道腰帶上并用不同的力量反復(fù)打擊來測試他們的傳感器。圖片來自Nanoscale雜志。

壓電電子

鑒于自供電傳感器在制造可穿戴醫(yī)療或運(yùn)動(dòng)相關(guān)監(jiān)測設(shè)備方面的潛力，毫不奇怪，它們已成為研究中越來越熱門的話題。與普通的電池驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器相反，自供電技術(shù)通常更緊湊，更環(huán)保，同時(shí)制造成本也更低。壓電器件由于其靈活性，凈功率輸出和易于制造而在該領(lǐng)域具有特別的前景，并且與摩擦電能源（例如，靜態(tài)）相比具有更高的性能。盡管PVDF已經(jīng)成為3D打印這些傳感器的流行基礎(chǔ)材料，但它通常需要填充成核添加劑，以實(shí)現(xiàn)其最佳的壓電性能。

在以前的研究中，將材料與聚合物混合已產(chǎn)生了功效有限的設(shè)備，而發(fā)現(xiàn)添加鈦酸鋇（BTO）可以增強(qiáng)所需的性能，但會(huì)導(dǎo)致顆粒聚集。為了解決這個(gè)問題，科學(xué)家提出了使用類似成分的3D打印傳感器，盡管這種傳感器采用新穎的“榫眼形”結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家的3D打印傳感器建立在BTO-PVDF基座上。圖片來自Nanoscale雜志。

3D打印傳感器陣列

一旦研究人員確定了最佳的PVDF-BTO配方，他們便部署了Musashi Engineering機(jī)械臂式3D打印機(jī)，將材料分配到膠片中。然后，在使用鎳帶標(biāo)記其電極之前，將銀漿印刷在設(shè)備的表面上，并在電場下對(duì)其進(jìn)行極化處理。

所得的傳感器排列成U形7×7 cm2的陣列，并進(jìn)行特性測試。初步結(jié)果表明，樹脂中沒有明顯的BTO沉降，這是潛在工業(yè)應(yīng)用的重要先兆。有趣的是，研究小組還發(fā)現(xiàn)，提高薄膜中BTO濃度的水平對(duì)其壓電性能具有相關(guān)影響。

例如，那些由10％的鋇納米顆粒（NPs）組成的原型顯示的電流為24.3 pC / N，而以50％的濃度加載樣品時(shí)，其電流增加到69.1 pC / N。鑒于它們的最佳性能，后一種傳感器隨后被部署到運(yùn)動(dòng)評(píng)估中，并在其中安裝了跆拳道護(hù)具。受到撞擊時(shí)，這些設(shè)備能夠根據(jù)所產(chǎn)生的電壓量來檢測施加的不同水平的力，這可能被證明可用作運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練工具。鑒于其陣列的靈活性，科學(xué)家們還建議將來可以將其3D打印到其他可穿戴設(shè)備上，從而使他們無需外部電源即可監(jiān)視各種體育活動(dòng)。

壓電帶電潛力

壓電材料的3D打印使無電池設(shè)備的生產(chǎn)具有運(yùn)動(dòng)部件，可以證明是各種臨床和軟機(jī)器人應(yīng)用的理想選擇。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家已經(jīng)將該技術(shù)用于3D打印血管，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測患者的血壓。管狀設(shè)備發(fā)出壓電脈沖，提醒患者何時(shí)需要緊急醫(yī)療護(hù)理，而無需外部電源。

與此同時(shí)，一個(gè)由中國研究人員組成的財(cái)團(tuán)通過3D打印自動(dòng)供電的機(jī)械手手指，無需使用常規(guī)電池即可感知曲率的變化。團(tuán)隊(duì)希望他們的多材料添加劑數(shù)字將激發(fā)未來其他壓電驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。

在新穎材料方面，弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)的工程師也取得了長足的進(jìn)步。在該處進(jìn)行的最新研究中，一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種用于DLP 3D打印的壓電陶瓷，并用它來創(chuàng)建各種復(fù)雜的自持結(jié)構(gòu)。

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