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3D打印仿生在线智能监测技术

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供稿人:赵洪炯,鲁中良

对重大装备的服役状态进行在线监测是保障安全生产的关键技术之一。而面向设备状态数据感知与获取的高性能传感器是制约这一领域发展的瓶颈。但由于传统应变传感器难以满足复杂环境、高可靠、多数据融合的问题,目前工程中一般采用定期离线式检测手段获得设备的健康状态,尚不能实现对设备安全状态的实时快速决策。作为医疗监测、人机界面和软机器人的重要平台,电子皮肤已被广泛研究。然而,在柔性衬底上无掩模地形成图案化活性材料而不涉及高成本和复杂的工艺仍然是开发电子皮肤的巨大挑战。

华东理工大学机械与动力工程学院轩福贞教授通过激光直写(LDW)技术直接将柔性衬底转化为传感材料,成功制备了基于SiC的应变传感器阵列,其创新之处在于利用激光的定域加热作用,将柔性衬底直接转化为传感材料,同时配以激光直写路径规划,制备出基于SiC的传感阵列。与现有的半导体工艺相比,此方法具有制备工艺简单、成本低,与柔性衬底兼容的特点。

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图1成型原理及成型样品
柔性衬底上活性材料的直接合成技术得益于LDW诱导的硅氧烷向SiC的转化。在0.8W的激光功率和1.25 mm/s的扫描速度下成型的SiC传感器件具有最高约为2.47×105的灵敏度。当它安装在人体皮肤上时,能够监测外部刺激和人体的健康状况。通过一种具有3×3 SiC触觉传感器阵列的LDW器件,进一步证明了其在电子皮肤中的潜在应用。

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图2 在线监测实验
参考文献:
Gao Y, Li Q, Wu R, et al. Laser Direct Writing of Ultrahigh Sensitive SiC‐Based Strain Sensor Arrays on Elastomer toward Electronic Skins[J]. Advanced Functional Materials, 2019: 1806786.

供稿人:赵洪炯,鲁中良
供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室

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