《Science Reports》:苏黎世联邦理工学院开发了带有集成传感器的3D打印鞋垫

导读：临床上对更精确和个性化的健康监测技术的需求越来越多，要求持续开发增材制造的可穿戴设备。虽然增材制造的材料范围不断扩大，但在一个统一的工作流程中整合材料、设计和数字制造方法仍然具有挑战性。


2023年3月，南极熊获悉，来自苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种带有集成传感器的 3D 打印鞋垫，可以在鞋子中测量鞋底的压力，从而在任何活动中测量鞋底的压力。他们的研究已经发表在了《Science Reports》上，题目为《Digital manufacturing of personalised footwear with embedded sensors》(《带有嵌入式传感器的个性化鞋类的数字化制造》）

在这项工作中，研究人员提出了一个3D打印平台，用于综合制造带有嵌入式压阻传感器的硅基软质可穿戴设备。开发了一种含有纤维素纳米晶体和碳黑填充物的硅基油墨，利用直写式3D打印技术制造了鞋垫，其封装的传感器能够测量法向和剪切力。

●通过对材料特性进行微调以达到预期的足底压力，病人定制的鞋垫在室温下被完全3D打印出来，以测量身体活动中的原地步态力。
●此外，数字化方法允许快速调整传感器布局以满足特定的用户需求，从而在多次快速迭代中制造出改进的鞋垫。
●所开发的材料和工作流程使新一代的全3D打印软性电子设备能够用于健康监测。

研究内容



油墨配方
根据所提出的数字制造平台配制了适用性的油墨材料。研究人员准备了一套符合DIW所要求的流变学行为的墨水，这些墨水还具有打印功能传感器和机械可调控的结构。

研究人员的油墨配方是基于一种市售的有机硅弹性体，然后用两种类型的功能性填充物颗粒进行复合：
●首先，表面改性的纤维素纳米晶体（CNC）被用作结构填料，以改变油墨的流变特性和鞋垫承重部分的机械反应。纳米纤维素被甲基三甲氧基硅烷（MTMS）功能化，以增强其对硅酮的表面亲和力，从而促进与基础弹性体的混合。

●其次，碳黑颗粒形式的功能性填料被纳入流变优化的有机硅中，以打印鞋垫传感器的压阻元件。这些导电的填充物颗粒有望在硅基复合材料内形成一个渗流网络，在施加外力时使其电阻发生变化。通过在硅基中加入改性的CNC，我们能够调整油墨的流变特性和固化后印刷材料的机械响应。

●在流变学方面行为，当CNC浓度超过5.0%(w/w)时，油墨从流体变成了粘弹性材料。固化后的油墨的机械性能也受到CNC存在的强烈影响。拉伸试验表明，与纯硅胶相比，CNC颗粒的网络形成能力导致强度和刚度分别提高了2倍和5倍。

●添加CNC不仅使我们能够改变墨水的流变特性和刚度，而且还能获得各向异性的机械反应。由于材料在通过喷嘴挤压过程中所经历的剪切力和延伸力，拉长的CNC颗粒会沿着施加的流动方向排，这导致了具有各向异性的微观结构和性能的打印线，并使我们有机会仅仅通过确定打印过程中挤压机的移动模式来进一步作用于打印鞋垫的强度。除了油墨配方外，打印件的机械性能也可以通过改变网格型结构中打印线的密度来轻松调整。研究人员发现填充系数从25增加到100%可以将网格的抗压刚度从3MPa提高到近8MPa



传感器性能
利用上述材料和打印系统，研究人员开发了可集成到柔性鞋垫中监测步态的正常和剪切力传感器设计。具有简单应变设计的传感器是通过在含有5.0%(w/w)CNC的结构性油墨打印的基底上DIW打印含有4.0%(w/w)炭黑的压阻性油墨而制造的。正常的压力感应是通过一个传感器配置实现的，该配置采用了一个位于两个平行银电极上的矩形压阻元件。这种传感器的工作原理是依靠由正常压缩引起的拉伸应变引起的传感仪纵向导电路径上的电阻增加。 为了测量剪切力，研究人员使用了第二个传感器配置，由两个平行放置的压阻元件组成。在这种设计中，两个元件之间的电阻差被用来量化施加的剪切力。利用具有雪佛龙形状的压阻元件，在一个方向上引入机械顺应性，在相反的方向上引入电阻，从而在相同的剪切力下，两个元件之间产生应变差。所有传感器的应变片上都有一个凸点，由更坚硬的结构性油墨（12.5%(w/w)CNC）打印而成，以使力的传递更有效，并保持一致。（更多内容可下载原文查看）

结论
●研究人员已经开发了用于制造带有集成压阻传感器的全3D打印鞋垫的功能性油墨，该鞋垫适用于对人类步态进行正常和剪切压力监测。

●通过将这些传感器放置在鞋垫的病人特定位置，有可能识别和量化步态情况。

●由于原料材料是易得的，并且可以在室温下使用基于桌面挤压的打印机进行加工，所以这个制造平台具有成本效益，并且可以很容易地转化为矫形设施，医生和矫形专家可以就地对鞋垫进行调整。

●此外，油墨配方中使用的有机硅的生物相容性使产品具有更高的性价比。
原文下载链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0