近來,由于集成傳感和保護(hù)的需要,用于運(yùn)動和老年學(xué)的輕質(zhì)、堅(jiān)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(qiáng)度的保護(hù)并不是齊頭并進(jìn)的。 例如,*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(hù)能力。相比之下,*的裝甲由堅(jiān)固的有機(jī)纖維、金屬或無機(jī)陶瓷組裝而成,無法應(yīng)用于傳感器。未來的應(yīng)用需要結(jié)合和集成傳感和保護(hù)功能來制造多功能可穿戴傳感器,例如運(yùn)動背心、太空裝甲和老年防護(hù)裝備,這需要新的制造策略來實(shí)現(xiàn)。
多功能傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是受到轉(zhuǎn)化特定的微觀結(jié)構(gòu)來啟發(fā)和構(gòu)建的。自然界中的生物結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)千年,并且由于其低密度和高強(qiáng)度而在各種應(yīng)用的功能結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)中引起了廣泛關(guān)注。 一個有趣的例子是墨魚(Cuttlefish),它具有堅(jiān)硬的墨魚骨結(jié)構(gòu)(Cuttlebone),可以承受深海區(qū)域的高水壓。 墨魚骨優(yōu)異的防護(hù)性能關(guān)鍵在于其腔壁隔片微結(jié)構(gòu),能夠在高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高剛度和能量吸收。 此外,這些壁隔微結(jié)構(gòu)還在烏賊骨內(nèi)部提供了高孔隙率,這是多功能傳感器設(shè)計(jì)的很好的模型。鑒于此,美國圣地亞哥州立大學(xué)Yang Yang教授團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)Ziyu Wang教授團(tuán)隊(duì)合作,報(bào)告了一種策略,在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結(jié)構(gòu)中生長可回收和可修復(fù)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(qiáng)化復(fù)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(xué)及加州大學(xué)圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He,南加州大學(xué)博士生Yushun (Sean) Zeng, 四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(xué)Eugene Olevsky教授,Wenwu Xu教授,博士生Runjian Jiang,研究生Brandon Bethers,南加州大學(xué)博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學(xué)Pei Li,Yue Hou,加州大學(xué)爾灣分校Lizhi Sun教授,博士生Shengwei Feng,Grossmont College學(xué)院學(xué)生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。文章亮點(diǎn):
1.在3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中生長RS晶體,用于具有集成機(jī)械保護(hù)和傳感功能的智能監(jiān)控設(shè)備。
2.研究了3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中RS晶體的合成和壓電性能機(jī)理,即3D打印羅謝爾鹽墨魚骨復(fù)合材料(RSC)。
3.制造的復(fù)合材料表現(xiàn)出很好的壓電和機(jī)械性能,以及優(yōu)異的可修復(fù)和可回收特性。
4.基于3D打印RSC的智能陣列裝甲以及護(hù)膝可以實(shí)現(xiàn)對佩戴者所受力的位置和大小的檢測。 這些結(jié)果為體育、醫(yī)學(xué)、軍事和航空航天等各種應(yīng)用的新一代智能監(jiān)控及檢測電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
圖 1. 3D 打印 RSC 的設(shè)計(jì)和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結(jié)構(gòu)和RS晶體生長過程示意圖;b) 3D打印結(jié)構(gòu)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的照片,展示了這種3D打印方法的設(shè)計(jì)靈活性。圖 2. 3D 打印的 RSC 機(jī)械性能研究及比較圖 3. 3D 打印 RSC 的回收和修復(fù)性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復(fù)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(fù)后樣品的壓電響應(yīng)比較;d) 原始樣品、修復(fù)樣品、回收樣品的力學(xué)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(qiáng)度 (KF) 比較。圖4. 復(fù)合材料在智能跌倒檢測保護(hù)增強(qiáng)護(hù)膝中的應(yīng)用a) 護(hù)膝示意圖及圖片,以及護(hù)膝報(bào)警檢測測試;b) MATLAB元件塊分布以及智能護(hù)膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形;c) 智能護(hù)膝感應(yīng)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。
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