SDSU楊陽《自然·通訊》：3D打印仿生中的復合材料，用于保護性可穿戴傳感器

來源：高分子科學前沿

近來，由于集成傳感和保護的需要，用于運動和老年學的輕質、堅固、智能的生物電子傳感器得到了廣泛的研究和開發(fā)。然而，智能傳感功能和高強度的保護并不是齊頭并進的。 例如，最先進的生物監(jiān)測可穿戴電子產(chǎn)品基于軟壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB），缺乏保護能力。相比之下，先進的裝甲由堅固的有機纖維、金屬或無機陶瓷組裝而成，無法應用于傳感器。未來的應用需要結合和集成傳感和保護功能來制造多功能可穿戴傳感器，例如運動背心、太空裝甲和老年防護裝備，這需要新的制造策略來實現(xiàn)。

多功能傳感器結構設計的基礎是受到轉化特定的微觀結構來啟發(fā)和構建的。自然界中的生物結構已經(jīng)進化了數(shù)千年，并且由于其低密度和高強度而在各種應用的功能結構材料的設計中引起了廣泛關注。 一個有趣的例子是墨魚（Cuttlefish），它具有堅硬的墨魚骨結構（Cuttlebone），可以承受深海區(qū)域的高水壓。 墨魚骨優(yōu)異的防護性能關鍵在于其獨特的腔壁隔片微結構，能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和能量吸收。 此外，這些壁隔微結構還在烏賊骨內部提供了高孔隙率，這是多功能傳感器設計的絕佳模型。

鑒于此，美國圣地亞哥州立大學Yang Yang教授團隊和武漢大學Ziyu Wang教授團隊合作，報告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結構中生長可回收和可修復的壓電羅謝爾鹽晶體（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能檢測的新型強化復合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊。圣地亞哥州立大學及加州大學圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，南加州大學博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大學材料科學與工程學院特聘副研究員Laiming Jiang為論文的共同第一作者。論文參與作者還包括圣地亞哥州立大學Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學Pei Li，Yue Hou，加州大學爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學院學生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

文章亮點
1.在3D打印墨魚骨結構中生長RS晶體，用于具有集成機械保護和傳感功能的智能監(jiān)控設備。

2.研究了3D打印墨魚骨結構中RS晶體的合成和壓電性能機理，即3D打印羅謝爾鹽墨魚骨復合材料（RSC）。

3.制造的復合材料表現(xiàn)出卓越的壓電和機械性能，以及優(yōu)異的可修復和可回收特性。

4.基于3D打印RSC的智能陣列裝甲以及護膝可以實現(xiàn)對佩戴者所受力的位置和大小的檢測。 這些結果為體育、醫(yī)學、軍事和航空航天等各種應用的新一代智能監(jiān)控及檢測電子設備奠定了基礎。

圖 1. 3D 打印 RSC 的設計和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結構和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結構中不同時間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個3D打印的人造墨魚骨復雜結構的照片，展示了這種3D打印方法的設計靈活性。

圖 2. 3D 打印的 RSC 機械性能研究及比較

圖 3. 3D 打印 RSC 的回收和修復性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復破損的3D打印RSC樣品過程的示意圖和照片；b) 3D打印-RSC回收過程照片；c) 原始3D打印RSC樣品與回收和修復后樣品的壓電響應比較；d) 原始樣品、修復樣品、回收樣品的力學性能對比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強度 (KF) 比較。

圖4. 復合材料在智能跌倒檢測保護增強護膝中的應用a) 護膝示意圖及圖片，以及護膝報警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護膝感應不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數(shù)據(jù)采集。