基于3D打印的各向異性壓阻式壓力傳感器，實現方向力感知

各向異性壓力傳感器由于在識別不同方向力方面的敏感性，在下一代可穿戴電子設備和智能基礎設施中越來越受到關注。3D打印技術在設計具有定制3D結構的各向異性壓力傳感器以實現可調各向異性方面具有無與倫比的優勢。3D打印在利用壓電納米復合材料進行各向異性識別方面幾乎沒有成功案例。3D打印的各向異性壓阻式壓力傳感器（PPS）盡管在節省極化過程方面很方便，但仍未得到開發。

據麥姆斯咨詢報道，近日，四川大學張楚虹教授團隊率先開發了一種含有水性聚氨酯（WPU）彈性體的可打印水性油墨。采用墨水直寫（DIW）3D打印技術，制備了一種具有宏觀3D結構和微觀孔隙形態的各向異性PPS。這項研究強調了3D打印在為先進傳感應用定制高靈敏度各向異性壓力傳感器方面的多功能性，這是傳統方法難以實現的。相關研究成果以“3D Printing of Anisotropic Piezoresistive Pressure Sensors for Directional Force Perception”為題發表在Advanced Science期刊上。

下圖顯示了使用墨水直寫3D打印集成凍干技術的海綿制造過程。首先，通過在超聲波作用下混合單壁碳納米管（SWCNT）、纖維素納米纖維（CNF）和WPU，隨后使用高速混合器分散，獲得均勻的復合油墨。將獲得的復合油墨從噴嘴擠出，通過逐層沉積構建任意的3D幾何形狀。隨后，對打印的樣品進行凍干以去除水分，并產生3D互連微孔。最后組裝成傳感裝置。在對導電性和流變性能進行全面研究后，選擇了6 wt% SWCNT的三元復合油墨。

油墨的制備及其流變行為

使用含有6 wt% SWCNT的WPU/SWCNT/CNF復合油墨可以直接打印所需的結構?！爱愋螆D案”、“分叉”、“蝙蝠”和“愛心”標志的代表性定制結構可以輕松構建。打印的3D晶格結構海綿的尺寸為10 mm × 10 mm × 10 mm，密度為0.12 g cm?3，足夠輕，可以穩定地放置在葉子上。CNF使SWCNT均勻分散在CNF/WPU基體中，并且與WPU具有良好的親和力。這非常有利于應力傳遞，增強海綿的機械性能。

三維互聯WPU/SWCNT/CNF衍生海綿的3D打印

對3D打印的WPU/SWCNT/CNF復合晶格海綿與已報道的碳基復合材料的壓阻性能進行了全面比較，以說明所提出方法的先進性。所設計的傳感器在2.8-8.1 kPa的壓力范圍內具有較高的相對靈敏度1.22 （kPa*wt%）?1，約為最先進的碳基導電復合氣凝膠/泡沫壓阻式壓力傳感器的五倍。這一優勢主要歸因于分級多孔海綿結構的應力放大效應。

3D打印WPU/SWCNT/CNF復合海綿的機械性能和壓阻性能

3D打印WPU/SWCNT/CNF復合晶格除了具有出色機械和傳感性能外，還采用結構設計通過調整壓阻細絲的空間排列來完全控制方向響應。模擬結果表明，具有交叉單元結構的晶格在靈敏度方面具有各向異性特征。因此，可以通過調整打印方案來調整各向異性。所提出的策略是通過改變相鄰層之間細絲的堆疊角度來實現的。

可調諧各向異性和方向響應的定制海綿的3D打印

考慮到晶格海綿器件的壓阻性能，對其進行組裝，探索其在機器人皮膚中的潛在應用。在手指點擊、手臂擠壓、臉頰鼓起和吞咽時獲得了不同的信號，表明了其對不同大小力的傳感能力。觸覺傳感器的成功演示表明其在機器人皮膚監測、人機交互和人工智能（AI）方面具有誘人的應用潛力。

由WPU/SWCNT/CNF衍生海綿作為活性層組裝而成的可穿戴設備

總而言之，該研究首次通過墨水直寫3D打印，使用包含基于WPU/SWCNT/CNF的彈性體導電復合材料的自制油墨，開發出具有宏觀3D結構和微觀孔隙形態的柔性3D PPS。所制備的PPS具有定制的各向異性“剪刀狀”結構，表現出明顯的方向識別能力，其各向異性可以通過調整打印方案輕松調節。此外，3D PPS在較寬的壓力范圍內（2.8-8.1 kPa）具有較高的相對靈敏度，超過了最先進的碳基導電復合氣凝膠/泡沫衍生PPS。

論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202309607

審核編輯：劉清