不需要電池,，韓國科學(xué)家3D打印自供電可穿戴傳感器

2021年2月20日,，南極熊獲悉,，韓國全北國立大學(xué)的科學(xué)家與中國材料供應(yīng)商武漢長弢新材料合作，3D打印出了新型可穿戴自供電傳感器,。

據(jù)悉,，這種3D打印的傳感器，是基于一種獨特的鋇負(fù)載PVDF聚合物材料,，能夠有效地收集人類運動產(chǎn)生的壓電能量,。事實證明這種傳感器能夠利用電荷來檢測壓力輸入,，并將其轉(zhuǎn)化為信號，這是高性能增材制造可穿戴電子產(chǎn)品發(fā)展的一大進(jìn)步,。

△研究人員通過將3D打印傳感器安裝在跆拳道腰帶上,，并以不同程度的力量反復(fù)打擊它來進(jìn)行測試，圖片來自《Nanoscale》雜志

壓電驅(qū)動的電子產(chǎn)品  

自供電傳感器在可穿戴式醫(yī)療或運動相關(guān)監(jiān)測設(shè)備方面具有很大潛力,，因此它們成為越來越熱門的研究課題,。與普通電池驅(qū)動的設(shè)備相比，自供電技術(shù)通常更加緊湊和環(huán)保,，同時制造成本也更低,。

壓電器件在這一領(lǐng)域具有特別的前景，這要歸功于其靈活性,、凈功率輸出和易于制造,，性能也有所提高。雖然PVDF已經(jīng)成為3D打印這些傳感器的流行基礎(chǔ)材料,，但為了實現(xiàn)最佳的壓電性能,，通常需要用成核添加劑填充。

在以往的研究中,，將材料與聚合物混合后得到的器件功效有限,，而添加鈦酸鋇（BTO）可以提升理想的性能，但會造成顆粒聚集,。為了解決這個問題,，科學(xué)家們提出了使用類似成分的3D打印傳感器，以一種新穎的 "榫卯 "形結(jié)構(gòu),。

△科學(xué)家們的3D打印傳感器建立在BTO-PVDF基礎(chǔ)上,，圖片來自《Nanoscale》雜志

3D打印的傳感器陣列

研究人員確定了最佳的PVDF-BTO配方，他們使用Musashi 公司的機械臂式3D打印機,，將材料分散成薄膜,。然后將銀漿打印到設(shè)備的表面，然后用鎳帶標(biāo)記電極,，并在電場下進(jìn)行拋光,。

所得的傳感器被排列成7×7平方厘米的U形陣列，并進(jìn)行了表征測試,。初步結(jié)果顯示,，樹脂中沒有明顯的BTO沉淀。有趣的是,，團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn),，增加薄膜中BTO濃度水平對壓電特性有相關(guān)影響。

例如,，那些由10%的納米鋇顆粒（NPs）組成的原型表現(xiàn)出24.3 pC/N的電流,。加載濃度為50%的樣品,，則將這一數(shù)值提高到69.1 pC/N�,？紤]到最佳性能需求,，將后一種傳感器后來被部署在體育評估中，被安裝在跆拳道護(hù)具上,。

當(dāng)被擊打時,，這些傳感器能夠根據(jù)產(chǎn)生的電壓量來檢測不同程度的力，這可以證明是一種有用的運動員訓(xùn)練工具,�,？茖W(xué)家們還提出，未來可以3D打印到其他可穿戴設(shè)備上,，能夠在不需要外部電源的情況下監(jiān)測各種體育活動,。            

研究結(jié)果在題為  “Mortise–tenon joint structured hydrophobic surface-functionalized barium titanate/polyvinylidene fluoride nanocomposites for printed self-powered wearable sensors.” 的論文中進(jìn)行了詳細(xì)介紹。" 該研究由Hai Li,、Hoseong Song,、Mengjie Long、Ghuzanfar Saeeda和Sooman Lim共同撰寫,。

編譯自：3dprintingindustry