华中科技大学研究团队：可自供能感知液滴撞击的3D打印超疏水磁性器件

来源： Engineering

三维（3D）打印作为一种新兴的增材制造技术，促进了多功能且复杂结构原型的制造，在航空航天、组织工程、珠宝和柔性电子等学科领域展现了巨大的前景。由磁性粒子和可打印聚合物组成的3D打印磁性结构，因在可控机械手、可变形软体机器人等方面拥有巨大潜力，引起了人们的广泛关注。

Engineering 2022年8月刊封底

华中科技大学苏彬研究团队在中国工程院院刊Engineering 2022年8月刊发表了题目为《可自供能感知液滴撞击的3D打印超疏水磁性器件》的研究性文章，通过整合两种3D打印方法，制造了一种具有柔性超疏水和磁性的器件。3D打印磁性器件（3DMD）在连续滴水时，表现出具有长期稳定的力电转换能力，输出电流比现有文献记录的输出电流高。结合麦克斯韦数值仿真，文章研究了3DMD的力电转换机理，进而指导了各种参数的调控。此外，通过连续的雨水收集，三个集成的3DMD点亮了一个商用发光二极管（LED）。文章表明，这种结合了能量转换的组合型设计有望推动3D打印领域的发展。

图 3DMD具有自供能感知以感应下落水滴的能力。（a）3DMD在滴水过程中的力电转换能力示意图。（b）由高速相机系统捕捉到的因水滴滴落导致变形之前（左）和之后（右）的3DMD光学图像。通过3D仿真计算得到的图（c）和（d）分别是3DMD的磁感应强度分布的2D视图和滴水前后线圈经过一圈的磁感应强度。（c）黑色和紫色虚线分别表示弹性元件和线圈的位置。相应的电学性能：（e）电压输出；（f）电流输出；（g）转移电荷与时间曲线。在这种情况下，水滴（每个液滴体积为55 μL）在40 cm的高度释放，并滴落在3DMD的表面上。顶部的磁粉含量为40%，厚度为2 mm。Φ1、Φ2：分别表示水滴冲击前后通过底部线圈的磁通量；B：磁感应强度。

文章中的3DMD结构是通过商业3ds Max软件设计的。采用FDM 3D打印技术，制造了不同厚度（1~3 mm）和凸起尺寸（半径为1.0 mm或1.5 mm）的多个磁性顶部。顶部的磁性颗粒通过磁化器（中国香港久巨工業設備有限公司）在1900 V以上的高压下产生的脉冲磁场进行垂直磁化。10%（质量分数）疏水性二氧化硅纳米颗粒经过超声处理后分散在乙醇中，然后将二氧化硅基溶液喷洒到3D打印的磁性顶部进行疏水处理。Agilus30光聚合物用于通过Polyjet 3D打印技术制造弹性杆，弹性杆长度为2~8 mm。最后通过简单组装三个组件，即磁性顶部、弹性杆状底部和导电铜线圈来完成3DMD的制造。

文章发现，磁性顶部和底部线圈之间的距离变化约为1 mm，从而允许通过线圈的磁通量发生变化。当一系列水滴在相同参数下滴下时，可以找到有规则的向上-向下响应峰值。其中第一个电压和电流峰值的平均输出分别达到1.6 mV和12.9 μA。在变形/恢复过程中转移的相应电荷为5.2 μC。在以往的研究中，3D打印触觉传感器必须由外部电源供电，随后研究人员才提出了使用压电或摩擦电材料的自供能概念来收集水滴或微小振动的机械能。与现有部分文献相比，由于电磁工作机制，3DMD的输出电流高于已发表的纪录。在这种情况下，3DMD可以将水滴的重力势能转化为电能，显示出自供能感知能力。总之，文章为雨滴的灵活力电转换策略提供了一种新方法，并且可推广到未来的振动监测中。

引用格式：Xuan Zhang, Qi Wang, Ruiping Zou, Bo Song, Chunze Yan, Yusheng Shi, Bin Su. 3D-Printed Superhydrophobic and Magnetic Device That Can Self-Powered Sense A Tiny Droplet Impact [J]. Engineering, 2022, 15(8): 197-206.