3D打印的柔性传感器瞄准可穿戴设备

滑铁卢大学的工程师使用 3D 打印和纳米技术开发了一种坚固而灵活的传感器。研究人员表示，新传感器可用于各种可穿戴设备，从生命体征到运动表现监测，同时提高舒适度。加州大学洛杉矶分校和英属哥伦比亚大学的研究人员也参与了该项目。

滑铁卢多尺度增材制造 （MSAM） 实验室的研究主任、机械和机电一体化工程教授Ehsan Toyserkani 说：“橡胶-石墨烯传感器可以与电子元件配对，制造出记录心脏和呼吸的可穿戴设备。率，记录运动员跑步时施加的力量，允许医生远程监控患者，以及许多其他潜在应用。”

研究人员表示，这项新技术将硅橡胶与超薄石墨烯层相结合，制成了一种非常适合制造跑鞋腕带或鞋垫的材料。

有机硅为生物监测提供了灵活性和耐用性，并且具有高导电性，而纳米级嵌入式石墨烯使其成为一种有效的传感器。

研究人员表示，只有使用最先进的 3D 打印或增材制造、设备和工艺，才能制造出具有复杂内部特征的硅橡胶结构。“当橡胶材料弯曲或移动时，电信号由嵌入其工程蜂窝结构中的高导电纳米级石墨烯产生。”

然而，研究人员面临一些挑战。虽然浸涂多孔聚合物是一种将导电层与柔性聚合物基材集成的低成本且可扩展的方法，但产品会出现纳米颗粒分层，并且随着时间的推移会衰减。解决方案是开发一种制造方案，用石墨烯纳米片对多孔硅传感器进行表面掺杂。

在一篇研究论文中进一步解释 道：“传感器内部采用熔融沉积建模 （FDM） 3D 打印的牺牲模具成型，具有有序、互连和曲折的内部几何形状（即三重周期性最小表面）。模具经过浸涂，将石墨烯转移嵌入到硅橡胶 （SR） 表面。”

结果是在多孔有机硅样品上形成了稳定的涂层，可提供约 12 个月的长期电阻耐久性和对恶劣条件（暴露于有机溶剂）的高耐受性。传感器还保持导电性——即使在超过 75% 的压缩应变下——具有高应变可恢复性。

Elham Davoodi，工程博士。领导该项目的滑铁卢大学学生表示，该传感器可用于恶劣环境，包括极端温度和湿度。“它甚至可以用你的衣服洗，”他说。

橡胶-石墨烯材料与 3D 打印工艺相结合，使定制设备能够精确贴合用户的体型。研究人员表示，与现有的可穿戴设备相比，这也将提高舒适度并降低制造成本。