SDSU楊陽《自然·通訊》：3D打印仿生中的復合材料，用于保護性可穿戴傳感器

更新時間：2023-11-08

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近來，由于集成傳感和保護的需要，用于運動和老年學的輕質(zhì)、堅固、智能的生物電子傳感器得到了廣泛的研究和開發(fā)。然而，智能傳感功能和高強度的保護并不是齊頭并進的。例如，*的生物監(jiān)測可穿戴電子產(chǎn)品基于軟壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB），缺乏保護能力。相比之下，*的裝甲由堅固的有機纖維、金屬或無機陶瓷組裝而成，無法應用于傳感器。未來的應用需要結(jié)合和集成傳感和保護功能來制造多功能可穿戴傳感器，例如運動背心、太空裝甲和老年防護裝備，這需要新的制造策略來實現(xiàn)。

多功能傳感器結(jié)構(gòu)設計的基礎是受到轉(zhuǎn)化特定的微觀結(jié)構(gòu)來啟發(fā)和構(gòu)建的。自然界中的生物結(jié)構(gòu)已經(jīng)進化了數(shù)千年，并且由于其低密度和高強度而在各種應用的功能結(jié)構(gòu)材料的設計中引起了廣泛關注。一個有趣的例子是墨魚（Cuttlefish），它具有堅硬的墨魚骨結(jié)構(gòu)（Cuttlebone），可以承受深海區(qū)域的高水壓。 墨魚骨優(yōu)異的防護性能關鍵在于其腔壁隔片微結(jié)構(gòu)，能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和能量吸收。此外，這些壁隔微結(jié)構(gòu)還在烏賊骨內(nèi)部提供了高孔隙率，這是多功能傳感器設計的很好的模型。

鑒于此，美國圣地亞哥州立大學Yang Yang教授團隊和武漢大學Ziyu Wang教授團隊合作，報告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結(jié)構(gòu)中生長可回收和可修復的壓電羅謝爾鹽晶體（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能檢測的新型強化復合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor"為題，發(fā)表在Nature Communications期刊。圣地亞哥州立大學及加州大學圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，南加州大學博士生Yushun (Sean) Zeng，四川大學材料科學與工程學院特聘副研究員Laiming Jiang為論文的共同第一作者。論文參與作者還包括圣地亞哥州立大學Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學Pei Li，Yue Hou，加州大學爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學院學生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

文章亮點：

1.在3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中生長RS晶體，用于具有集成機械保護和傳感功能的智能監(jiān)控設備。

2.研究了3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中RS晶體的合成和壓電性能機理，即3D打印羅謝爾鹽墨魚骨復合材料（RSC）。

3.制造的復合材料表現(xiàn)出很好的壓電和機械性能，以及優(yōu)異的可修復和可回收特性。

4.基于3D打印RSC的智能陣列裝甲以及護膝可以實現(xiàn)對佩戴者所受力的位置和大小的檢測。這些結(jié)果為體育、醫(yī)學、軍事和航空航天等各種應用的新一代智能監(jiān)控及檢測電子設備奠定了基礎。

圖 1. 3D 打印 RSC 的設計和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結(jié)構(gòu)和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結(jié)構(gòu)中不同時間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個3D打印的人造墨魚骨復雜結(jié)構(gòu)的照片，展示了這種3D打印方法的設計靈活性。

圖 2. 3D 打印的 RSC 機械性能研究及比較

圖 3. 3D 打印 RSC 的回收和修復性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復破損的3D打印RSC樣品過程的示意圖和照片；b) 3D打印-RSC回收過程照片；c) 原始3D打印RSC樣品與回收和修復后樣品的壓電響應比較；d) 原始樣品、修復樣品、回收樣品的力學性能對比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強度 (KF) 比較。

圖4. 復合材料在智能跌倒檢測保護增強護膝中的應用a) 護膝示意圖及圖片，以及護膝報警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護膝感應不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數(shù)據(jù)采集。

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