基于3D打印的無電池折紙壓力傳感器,，用于無線壓力監(jiān)測

來源:MEMS

南極熊獲悉,，近期,，西蒙弗雷澤大學(xué)（Simon Fraser University）機電系統(tǒng)工程學(xué)院增材制造實驗室的研究人員開發(fā)出一種基于3D打印折紙結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，通過電感電容（LC）傳感器和單極天線實現(xiàn)無線壓力監(jiān)測,。將具有三浦折疊（Miura-ori）結(jié)構(gòu)的個性化智能鞋墊和導(dǎo)電3D打印傳感器利用3D打印技術(shù)無縫結(jié)合,。該壓力傳感器可無線監(jiān)測不同姿勢的足壓力，其靈敏度在0~9 kPa和10~40 kPa的壓力范圍內(nèi)可調(diào),，調(diào)節(jié)范圍為15.7~2.1 MHz/kPa,。該無線壓力傳感器可用于矯形器、假肢和運動裝備等各種應(yīng)用,。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊,。

△本研究提出的無線折紙壓力傳感器和3D結(jié)構(gòu)智能鞋墊

壓力監(jiān)測結(jié)構(gòu)是用于健康監(jiān)測和運動生物力學(xué)的可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵元件。足底壓力監(jiān)測可幫助了解足部健康狀況,，對2型糖尿病患者的足部潰瘍進行早期診斷,，并有助于推進鞋類設(shè)計與開發(fā)，以及推進步態(tài)分析和運動生物力學(xué)研究,。雖然已有研究人員開發(fā)了有線足壓傳感器,，但有線連接使傳感設(shè)備結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,。無線連接可讓設(shè)計變得簡單，為用戶提供更加舒適的體驗,。因此,，基于無線通信技術(shù)的可穿戴傳感器在醫(yī)療和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及智能輔助機器人等領(lǐng)域獲得越來越多關(guān)注。

Miura-ori結(jié)構(gòu)是一種非常獨特的折紙結(jié)構(gòu),，被廣泛研究并應(yīng)用于工程和建筑等領(lǐng)域,。與單層折紙結(jié)構(gòu)相比,，基于柔性聚合物材料制備的多層Miura-ori結(jié)構(gòu)強度顯著提高,，具有高表面積比、可拉伸性和剛性可折疊性等優(yōu)點,。通過以不同方式堆疊Miura-ori結(jié)構(gòu),，可獲得力學(xué)性能可調(diào)的彈簧狀桁架結(jié)構(gòu)。Miura-ori結(jié)構(gòu)在壓縮作用下,，其變形結(jié)果可預(yù)測,，并非隨機變形。目前,，折紙結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于傳感,、封裝、保護和沖擊能量吸收等領(lǐng)域,，尤其是Miura-ori結(jié)構(gòu),，具有更高的強度和更優(yōu)異的沖擊能量吸收能力。

在該項工作中,，研究人員開發(fā)了一種基于折紙結(jié)構(gòu)的新型無線壓力傳感器,，使用了多項3D打印技術(shù)，包括用于柔性鞋墊的熔絲制造（FFF）技術(shù),，用于LC傳感器的墨水直寫（DIW）技術(shù),，以及用于蛇形結(jié)構(gòu)的多向3D打印技術(shù)�,；���3D打印的折紙壓力傳感器利用射頻（RF）通信作為壓力傳感的信號傳輸,，無需任何電池供電設(shè)備。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同壓力范圍內(nèi),，其靈敏度分別為−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa,，可通過改變折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)進行定制。因此,，可以使用包含減震折紙設(shè)計的個性化鞋墊來監(jiān)測足底壓力,。該折紙結(jié)構(gòu)既是壓力傳感器的主要部分，也是支撐用戶體重的整個鞋墊結(jié)構(gòu),。

該3D打印的柔性折紙鞋墊可用于遠場無線足底壓力傳感,。具體而言,，將基于3D打印的鏡面堆疊Miura-ori多層結(jié)構(gòu)與LC傳感器結(jié)合體作為壓力傳感裝置，可以從電信號中檢測機械變形,。折紙鞋墊可以根據(jù)用戶重量進行定制,，可以承受從低壓到50~80公斤的人體重量壓力。其傳感組件包括3D打印的LC傳感器和通過多向3D打印的嵌入式電感器,，能夠?qū)崿F(xiàn)具有更高靈敏度的遠場傳感范圍,。

△3D結(jié)構(gòu)鞋墊設(shè)計及模型仿真結(jié)果

△“有/沒有”周圍折紙的折紙壓力傳感器的靈敏度測試

總而言之，該研究提出的基于3D折紙的無線壓力傳感器可用于寬壓力范圍傳感以及個性化使用,。通過利用多種3D打印技術(shù),，研究人員實現(xiàn)了一種具有成本效益的定制化智能鞋墊，可用于個性化的健康監(jiān)測,。該項研究將有助于人們通過無線壓力傳感器更簡單地進行健康監(jiān)測和疾病早期診斷,。

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https://doi.org/10.1038/s41378-022-00465-0