韓國全北國立大學和中國材料提供商武漢Chamtop的科學家合作3D打印的新型可穿戴式自供電傳感器。該團隊的全印刷設備基于獨特的鋇負載PVDF聚合物，能夠有效地收集人類運動產生的壓電能量。當傳感器安裝到陣列中時，被證明能夠使用這種電荷來檢測壓力輸入并將其轉換為信號，這是高性能添加劑可穿戴電子設備開發(fā)的重大進步。

圖像顯示了正在跆拳道腰帶中測試的3D打印傳感器，研究人員通過將其安裝在跆拳道腰帶上并用不同的力量反復打擊來測試他們的傳感器。圖片來自Nanoscale雜志。

壓電電子

鑒于自供電傳感器在制造可穿戴醫(yī)療或運動相關監(jiān)測設備方面的潛力，毫不奇怪，它們已成為研究中越來越熱門的話題。與普通的電池驅動執(zhí)行器相反，自供電技術通常更緊湊，更環(huán)保，同時制造成本也更低。壓電器件由于其靈活性，凈功率輸出和易于制造而在該領域具有特別的前景，并且與摩擦電能源（例如，靜態(tài)）相比具有更高的性能。盡管PVDF已經成為3D打印這些傳感器的流行基礎材料，但它通常需要填充成核添加劑，以實現(xiàn)其最佳的壓電性能。

在以前的研究中，將材料與聚合物混合已產生了功效有限的設備，而發(fā)現(xiàn)添加鈦酸鋇（BTO）可以增強所需的性能，但會導致顆粒聚集。為了解決這個問題，科學家提出了使用類似成分的3D打印傳感器，盡管這種傳感器采用新穎的“榫眼形”結構。

科學家的3D打印傳感器建立在BTO-PVDF基座上。圖片來自Nanoscale雜志。

3D打印傳感器陣列

一旦研究人員確定了最佳的PVDF-BTO配方，他們便部署了Musashi Engineering機械臂式3D打印機，將材料分配到膠片中。然后，在使用鎳帶標記其電極之前，將銀漿印刷在設備的表面上，并在電場下對其進行極化處理。

所得的傳感器排列成U形7×7 cm2的陣列，并進行特性測試。初步結果表明，樹脂中沒有明顯的BTO沉降，這是潛在工業(yè)應用的重要先兆。有趣的是，研究小組還發(fā)現(xiàn)，提高薄膜中BTO濃度的水平對其壓電性能具有相關影響。

例如，那些由10％的鋇納米顆粒（NPs）組成的原型顯示的電流為24.3 pC / N，而以50％的濃度加載樣品時，其電流增加到69.1 pC / N。鑒于它們的最佳性能，后一種傳感器隨后被部署到運動評估中，并在其中安裝了跆拳道護具。受到撞擊時，這些設備能夠根據所產生的電壓量來檢測施加的不同水平的力，這可能被證明可用作運動員訓練工具。鑒于其陣列的靈活性，科學家們還建議將來可以將其3D打印到其他可穿戴設備上，從而使他們無需外部電源即可監(jiān)視各種體育活動。

壓電帶電潛力

壓電材料的3D打印使無電池設備的生產具有運動部件，可以證明是各種臨床和軟機器人應用的理想選擇。威斯康星大學麥迪遜分校的科學家已經將該技術用于3D打印血管，能夠遠程監(jiān)測患者的血壓。管狀設備發(fā)出壓電脈沖，提醒患者何時需要緊急醫(yī)療護理，而無需外部電源。

與此同時，一個由中國研究人員組成的財團通過3D打印自動供電的機械手手指，無需使用常規(guī)電池即可感知曲率的變化。團隊希望他們的多材料添加劑數(shù)字將激發(fā)未來其他壓電驅動的軟機器人技術的發(fā)展。

在新穎材料方面，弗吉尼亞理工學院和州立大學的工程師也取得了長足的進步。在該處進行的最新研究中，一個團隊開發(fā)了一種用于DLP 3D打印的壓電陶瓷，并用它來創(chuàng)建各種復雜的自持結構。

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