不需要電池，韓國(guó)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(guó)全北國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家與中國(guó)材料供應(yīng)商武漢長(zhǎng)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(dú)特的鋇負(fù)載PVDF聚合物材料，能夠有效地收集人類(lèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的壓電能量。事實(shí)證明這種傳感器能夠利用電荷來(lái)檢測(cè)壓力輸入，并將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)，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(guò)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(lái)進(jìn)行測(cè)試，圖片來(lái)自《Nanoscale》雜志

壓電驅(qū)動(dòng)的電子產(chǎn)品  

自供電傳感器在可穿戴式醫(yī)療或運(yùn)動(dòng)相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備方面具有很大潛力，因此它們成為越來(lái)越熱門(mén)的研究課題。與普通電池驅(qū)動(dòng)的設(shè)備相比，自供電技術(shù)通常更加緊湊和環(huán)保，同時(shí)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?dú)w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(shí)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(huì)造成顆粒聚集。為了解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家們提出了使用類(lèi)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(lái)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(jī)械臂式3D打印機(jī)，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(chǎng)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(cè)試。初步結(jié)果顯示，樹(shù)脂中沒(méi)有明顯的BTO沉淀。有趣的是，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，增加薄膜中BTO濃度水平對(duì)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(lái)被部署在體育評(píng)估中，被安裝在跆拳道護(hù)具上。

當(dāng)被擊打時(shí)，這些傳感器能夠根據(jù)產(chǎn)生的電壓量來(lái)檢測(cè)不同程度的力，這可以證明是一種有用的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練工具?？茖W(xué)家們還提出，未來(lái)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(cè)各種體育活動(dòng)。            

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(xiě)。

編譯自：3dprintingindustry