用于人体运动预测和健康监测的3D打印保形应变和湿度传感器

第一作者：Yanbei Hou
通讯作者：Kun Zhou
通讯单位：南洋理工大学
       在过去的十年里，可穿戴传感器在电子皮肤、智能人机交互、软机器人和能量采集等不同领域获得了广泛关注。人们对开发用于定期和连续监测人体运动和健康状况的可穿戴传感器越来越感兴趣。近年来，随着信息技术的进步，基于分布式传感器的数据驱动医疗监控可以提供实时的安全相关信息。监测这些信息对于在个人健康指标异常时及时就医以及避免错过最佳治疗时间至关重要。传统的制造方法主要是涂覆、铸造、真空沉积和聚合，然后对传感器进行定制和组装，以适应人类的运动。受制造技术的限制，传统传感器结构简单，制造工艺复杂，与人体的一致性较差。开发了可持续独立运行的自供电可穿戴传感器，可通过机械、热能、太阳能、生物化学或射频（RF）能量采集驱动。为了增强保形性和功能集成，正在研究保形制造技术，如转移打印和直接打印，用于在3D自由曲面上制造和集成可变形传感器。探索可扩展制造方法的进一步可能性是非常有兴趣的，这些方法能够快速生产具有多功能的传感器，并直接制造具有集成传感器的设备。
       孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和天然外壳的特殊多层结构赋予了它们卓越的光学和机械性能。根据自然界中发现的例子，很明显，使用多层结构复合材料可以获得特殊的性能。例如，为天然贝壳设计的仿生复合材料可以获得显著的刚度和韧性。可以通过适当的材料选择来设计具有响应性和功能性的多层聚合物复合材料。人们越来越认识到，组装方法对多层聚合物复合材料的物理化学性能有很大影响。然而，制备多层结构的方法是复杂的，例如旋涂、喷涂和沉积。这些方法都不能直接制备具有复杂结构的多层产品。因此，应该采用一种新的制备方法来制备这种性能优异的多层结构。
        具有可控几何形状和设计的定制功能结构的3D打印可以通过提供必要的一致性来解决传统制造方法的局限性。由于生产速度的限制，使用3D打印技术高效生产可穿戴设备的挑战仍然存在。粉末床融合（PBF）是ISO/ASTM52900-21定义的3D打印技术的一个重要类别。它涉及粉末材料的逐层选择性融合，通过能源形成3D物体。多射流融合（MJF）是一种新的PBF技术，它利用多个射流将粉末状聚合物材料选择性地融合成具有无支撑结构的高分辨率零件，与其他现成的3D打印技术相比，提供了一种更快速的制造方法。在MJF中，在粉末层被红外线灯照射之前，根据计算机辅助设计模型，在每个粉末层上选择性地沉积两种类型的印刷油墨（即，熔融剂（FA）和细化剂），以形成所需的图案。黑色FA吸收来自红外光的热能，并使选择性区域中的粉末颗粒能够融合在一起。无色细化剂沉积在熔融区域的边界，以降低周围粉末颗粒的温度，从而确保印刷零件的复杂细节。MJF允许选择性沉积多种墨水来打印多功能集成传感器，正如我们早期的工作所证明的那样，我们在早期的工作中确定了自制功能墨水可以显著提高打印部件的导电性和机械性能。然而，逐层加工技术的优点尚未得到彻底的研究。