中科院物构所光固化3D打印获新进展，可用于柔性

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中国科学院/福建省纳米材料重点实验室功能纳米结构设计与组装，吴立新课题组基于3D打印在可穿戴传感器中的应用前景，创造了3D打印光敏技术的加入树脂 这种交联剂可以提高印刷分辨率，印刷模具可以在热水中溶解。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials上。博士生彭树强为论文第一作者，高级工程师翁子祥、吴立新为论文通讯作者。

随着物联网技术的出现，可穿戴设备的发展近来引起了学术界和工业界的兴趣。在可穿戴设备中，用于将生理信号转换为数字数据的传感器发挥着重要作用。与传统的硅基传感器相比，具有超薄、低弹性模量、重量轻、高度可拉伸功能的柔性可拉伸传感器广泛应用于人体临床诊断、人体运动检测、柔性触摸屏、电子皮肤等柔性领域和软机器人。迄今为止，柔性传感器主要分为压电传感器、电容传感器和压阻传感器。其中，压阻式传感器具有以下优点：结构更简单、检测下限更低、数据输入输出更容易、对静态和动态力的兼容性更好，这使得对压阻式传感器的研究最为深入。灵活且可拉伸的应变传感器取决于导电反应层的整体性能。用户期望可拉伸传感器在大变形下表现出优异的导电性。为了满足这些要求，在组装柔性电阻传感器时使用了许多方法，包括化学气相沉积、浸涂和旋涂。

然而，上述方法难以制造定制的专用结构来满足用户的可穿戴需求。 3D打印技术的出现改变了设备的制造方式。与传统工艺相比，3D打印技术可以通过将材料逐层堆叠，制造出具有定制化和复杂设计的可穿戴传感器。聚氨酯(polyurethane, PU) 由于其高拉伸性和优异的回弹性 弹性体广泛应用于各种3D打印技术，包括直接墨水书写（直接墨水书写，DIW） , Fused Deposition Modeling（熔融沉积建模，FDM） 和数字光处理（digital light processing，DLP） 准备柔性应变传感器。

从功能纳米结构的设计与组装中科院/福建省纳米材料重点实验室，吴立新课题组合成了一种基于可逆共价键的可水解交联剂，并将这种交联添加到3D打印感光树脂中剂可提高印刷分辨率，印刷模具可溶于热水。将聚氨酯/碳纳米管复合材料倒入模具中，在热水中脱模，得到各种多孔结构的传感器。该传感器具有高拉伸、高回弹的特点。

多孔水溶性支架采用基于 DLP 的 3D 打印技术打印，如图（图 1a）所示。研究人员使用卡通狗来评估打印样品的表面质量。仅使用 ACMO 单体，虽然打印部件的表面出乎意料地光滑，但精细的结构却消失了（图 1b）。

▲图1.a) DLP印刷工艺示意图及光固化树脂的化学结构； b) 使用ACMO打印卡通狗（左）和使用ACMO-HUA（右）的对比，比例：6.8mm

▲图2.a)基于受阻尿素键的3D打印部件水解过程示意图； b) 印刷八角形桁架在 60°C 下水解 7 小时； c) 90°C 水解 将印刷的八角形桁架水解 4 小时。

随后，研究人员打印了一些模具来制备 PFSS，以验证 ACMO-HUA 树脂的可用性。如图（3a）所示，首先制造具有多孔支架结构的牺牲模具。随后，将混合的 PU/CNTs 复合材料浇铸到多孔模具中。 PU/CNTs复合材料完全固化后，将模具溶解在热水中进行加工，留下PFSS。 PFSS的电导率随着CNT含量的增加而增加

▲图 3.a) 解释通过间接 3D 打印制备 PFSS； b-e) 各种架构的间接 3D 打印准备：b) gyroid； c) 手指套； d) 多孔晶格； E) 章鱼，比例尺：8.5 毫米。

研究人员进一步探索了原位人体运动检测的实际应用。例如，通过间接 3D 打印制备的多孔鞋垫嵌入鞋中作为舒适的穿着垫（图 4a）。由两根导线连接的多孔鞋垫用作压力传感器，在步行和跑步过程中进行实时监测。多孔压力传感器测量脚下地面反作用力，电阻响应与测量压力成正比。阻力响应信号用于测量步态参数以进行运动学分析和诊断。图 4b 和 c 显示了记录的 ΔR/R 0 变化曲线，分别对应于志愿者步行 10 分钟和跑步 5 分钟。对应的步行约为0.57，低于跑步的0.83左右。步行的ΔR/R0比跑步更稳定，但跑步变化不大。此外，跑步相应的阻力反应时间比步行要短。这些结果表明 PFSS 可以区分步行和跑步时的压力信号。利用3D打印的可定制设计，更容易设计和准备更舒适的传感器。关于人类手指的大小，还准备了一个多孔手指床作为 PFSS 来监测手指运动（图 4d）。可以看出，用于指套的PFSS可以识别食指的不同弯曲角度。当食指被拉伸时，ΔR/R0 保持恒定值 0，当食指卷曲时，ΔR/R0 增加到 0.45。另外，当食指弯曲到一定角度时，对应的ΔR/R0可以反映在记录的曲线中，约为0.3。这些结果证实，PFSS 是具有可定制形状的可穿戴传感器的理想候选者，可用于人体运动识别。

文章来源：《北京印刷学院学报》 网址: http://www.bjysxyxb.cn/zonghexinwen/2021/0809/953.html