《Science Reports》:蘇黎世聯邦理工學院開發(fā)了帶有集成傳感器的3D打印鞋墊

導讀：臨床上對更精確和個性化的健康監(jiān)測技術的需求越來越多，要求持續(xù)開發(fā)增材制造的可穿戴設備。雖然增材制造的材料范圍不斷擴大，但在一個統一的工作流程中整合材料、設計和數字制造方法仍然具有挑戰(zhàn)性。


2023年3月，南極熊獲悉，來自蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發(fā)了一種帶有集成傳感器的 3D 打印鞋墊，可以在鞋子中測量鞋底的壓力，從而在任何活動中測量鞋底的壓力。他們的研究已經發(fā)表在了《Science Reports》上，題目為《Digital manufacturing of personalised footwear with embedded sensors》(《帶有嵌入式傳感器的個性化鞋類的數字化制造》）

在這項工作中，研究人員提出了一個3D打印平臺，用于綜合制造帶有嵌入式壓阻傳感器的硅基軟質可穿戴設備。開發(fā)了一種含有纖維素納米晶體和碳黑填充物的硅基油墨，利用直寫式3D打印技術制造了鞋墊，其封裝的傳感器能夠測量法向和剪切力。

●通過對材料特性進行微調以達到預期的足底壓力，病人定制的鞋墊在室溫下被完全3D打印出來，以測量身體活動中的原地步態(tài)力。
●此外，數字化方法允許快速調整傳感器布局以滿足特定的用戶需求，從而在多次快速迭代中制造出改進的鞋墊。
●所開發(fā)的材料和工作流程使新一代的全3D打印軟性電子設備能夠用于健康監(jiān)測。

研究內容



油墨配方
根據所提出的數字制造平臺配制了適用性的油墨材料。研究人員準備了一套符合DIW所要求的流變學行為的墨水，這些墨水還具有打印功能傳感器和機械可調控的結構。

研究人員的油墨配方是基于一種市售的有機硅彈性體，然后用兩種類型的功能性填充物顆粒進行復合：
●首先，表面改性的纖維素納米晶體（CNC）被用作結構填料，以改變油墨的流變特性和鞋墊承重部分的機械反應。納米纖維素被甲基三甲氧基硅烷（MTMS）功能化，以增強其對硅酮的表面親和力，從而促進與基礎彈性體的混合。

●其次，碳黑顆粒形式的功能性填料被納入流變優(yōu)化的有機硅中，以打印鞋墊傳感器的壓阻元件。這些導電的填充物顆粒有望在硅基復合材料內形成一個滲流網絡，在施加外力時使其電阻發(fā)生變化。通過在硅基中加入改性的CNC，我們能夠調整油墨的流變特性和固化后印刷材料的機械響應。

●在流變學方面行為，當CNC濃度超過5.0%(w/w)時，油墨從流體變成了粘彈性材料。固化后的油墨的機械性能也受到CNC存在的強烈影響。拉伸試驗表明，與純硅膠相比，CNC顆粒的網絡形成能力導致強度和剛度分別提高了2倍和5倍。

●添加CNC不僅使我們能夠改變墨水的流變特性和剛度，而且還能獲得各向異性的機械反應。由于材料在通過噴嘴擠壓過程中所經歷的剪切力和延伸力，拉長的CNC顆粒會沿著施加的流動方向排，這導致了具有各向異性的微觀結構和性能的打印線，并使我們有機會僅僅通過確定打印過程中擠壓機的移動模式來進一步作用于打印鞋墊的強度。除了油墨配方外，打印件的機械性能也可以通過改變網格型結構中打印線的密度來輕松調整。研究人員發(fā)現填充系數從25增加到100%可以將網格的抗壓剛度從3MPa提高到近8MPa



傳感器性能
利用上述材料和打印系統，研究人員開發(fā)了可集成到柔性鞋墊中監(jiān)測步態(tài)的正常和剪切力傳感器設計。具有簡單應變設計的傳感器是通過在含有5.0%(w/w)CNC的結構性油墨打印的基底上DIW打印含有4.0%(w/w)炭黑的壓阻性油墨而制造的。正常的壓力感應是通過一個傳感器配置實現的，該配置采用了一個位于兩個平行銀電極上的矩形壓阻元件。這種傳感器的工作原理是依靠由正常壓縮引起的拉伸應變引起的傳感儀縱向導電路徑上的電阻增加。 為了測量剪切力，研究人員使用了第二個傳感器配置，由兩個平行放置的壓阻元件組成。在這種設計中，兩個元件之間的電阻差被用來量化施加的剪切力。利用具有雪佛龍形狀的壓阻元件，在一個方向上引入機械順應性，在相反的方向上引入電阻，從而在相同的剪切力下，兩個元件之間產生應變差。所有傳感器的應變片上都有一個凸點，由更堅硬的結構性油墨（12.5%(w/w)CNC）打印而成，以使力的傳遞更有效，并保持一致。（更多內容可下載原文查看）

結論
●研究人員已經開發(fā)了用于制造帶有集成壓阻傳感器的全3D打印鞋墊的功能性油墨，該鞋墊適用于對人類步態(tài)進行正常和剪切壓力監(jiān)測。

●通過將這些傳感器放置在鞋墊的病人特定位置，有可能識別和量化步態(tài)情況。

●由于原料材料是易得的，并且可以在室溫下使用基于桌面擠壓的打印機進行加工，所以這個制造平臺具有成本效益，并且可以很容易地轉化為矯形設施，醫(yī)生和矯形專家可以就地對鞋墊進行調整。

●此外，油墨配方中使用的有機硅的生物相容性使產品具有更高的性價比。
原文下載鏈接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0