具有高回弹和低滞后特性的3D打印多功能柔性传感器

来源： EngineeringForLife

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。

图13D打印定制PIFS

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。

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。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135593