不需要电池,韩国科学家3D打印自供电可穿戴传感器

3D打印科研前沿
2021
02/20
12:03
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2021年2月20日,南极熊获悉,韩国全北国立大学的科学家与中国材料供应商武汉长弢新材料合作,3D打印出了新型可穿戴自供电传感器。

据悉,这种3D打印的传感器,是基于一种独特的钡负载PVDF聚合物材料,能够有效地收集人类运动产生的压电能量。事实证明这种传感器能够利用电荷来检测压力输入,并将其转化为信号,这是高性能增材制造可穿戴电子产品发展的一大进步。

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△研究人员通过将3D打印传感器安装在跆拳道腰带上,并以不同程度的力量反复打击它来进行测试,图片来自《Nanoscale》杂志

压电驱动的电子产品  

自供电传感器在可穿戴式医疗或运动相关监测设备方面具有很大潜力,因此它们成为越来越热门的研究课题。与普通电池驱动的设备相比,自供电技术通常更加紧凑和环保,同时制造成本也更低。

压电器件在这一领域具有特别的前景,这要归功于其灵活性、净功率输出和易于制造,性能也有所提高。虽然PVDF已经成为3D打印这些传感器的流行基础材料,但为了实现最佳的压电性能,通常需要用成核添加剂填充。

在以往的研究中,将材料与聚合物混合后得到的器件功效有限,而添加钛酸钡(BTO)可以提升理想的性能,但会造成颗粒聚集。为了解决这个问题,科学家们提出了使用类似成分的3D打印传感器,以一种新颖的 "榫卯 "形结构。

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△科学家们的3D打印传感器建立在BTO-PVDF基础上,图片来自《Nanoscale》杂志

3D打印的传感器阵列

研究人员确定了最佳的PVDF-BTO配方,他们使用Musashi 公司的机械臂式3D打印机,将材料分散成薄膜。然后将银浆打印到设备的表面,然后用镍带标记电极,并在电场下进行抛光。

所得的传感器被排列成7×7平方厘米的U形阵列,并进行了表征测试。初步结果显示,树脂中没有明显的BTO沉淀。有趣的是,团队还发现,增加薄膜中BTO浓度水平对压电特性有相关影响。

例如,那些由10%的纳米钡颗粒(NPs)组成的原型表现出24.3 pC/N的电流。加载浓度为50%的样品,则将这一数值提高到69.1 pC/N。考虑到最佳性能需求,将后一种传感器后来被部署在体育评估中,被安装在跆拳道护具上。

当被击打时,这些传感器能够根据产生的电压量来检测不同程度的力,这可以证明是一种有用的运动员训练工具。科学家们还提出,未来可以3D打印到其他可穿戴设备上,能够在不需要外部电源的情况下监测各种体育活动。            

研究结果在题为  “Mortise–tenon joint structured hydrophobic surface-functionalized barium titanate/polyvinylidene fluoride nanocomposites for printed self-powered wearable sensors.” 的论文中进行了详细介绍。" 该研究由Hai Li、Hoseong Song、Mengjie Long、Ghuzanfar Saeeda和Sooman Lim共同撰写。
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编译自:3dprintingindustry



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