【详解】3D打印在可延伸触觉传感器中的应用实例

近日，明尼苏达大学Michael C. McAlpine教授在Adv. Mater.上发表了其课题组的最新研究成果“3D Printed Stretchable Tactile Sensors”，南极熊之前刚刚对其进行了报道，手指肚上3D打印传感器，以后的机器人要成精了。据悉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。接下来南极熊就为大家详解其中的原理以及应用。

图一 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。

（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。

（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。

（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。

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。

来源：材料人网
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