3D打印仿生复合材料在保护性可穿戴传感器的应用

近来，由于集成传感和保护的需要，用于运动和老年学的轻质、坚固、智能的生物电子传感器得到了广泛的研究和开发。然而，智能传感功能和高强度的保护并不是齐头并进的。 例如，最先进的生物监测可穿戴电子产品基于软压电材料或柔性印刷电路板（F-PCB），缺乏保护能力。相比之下，先进的装甲由坚固的有机纤维、金属或无机陶瓷组装而成，无法应用于传感器。未来的应用需要结合和集成传感和保护功能来制造多功能可穿戴传感器，例如运动背心、太空装甲和老年防护装备，这需要新的制造策略来实现。

多功能传感器结构设计的基础是受到转化特定的微观结构来启发和构建的。自然界中的生物结构已经进化了数千年，并且由于其低密度和高强度而在各种应用的功能结构材料的设计中引起了广泛关注。 一个有趣的例子是墨鱼（Cuttlefish），它具有坚硬的墨鱼骨结构（Cuttlebone），可以承受深海区域的高水压。 墨鱼骨优异的防护性能关键在于其独特的腔壁隔片微结构，能够在高压环境下实现高刚度和能量吸收。 此外，这些壁隔微结构还在乌贼骨内部提供了高孔隙率，这是多功能传感器设计的绝佳模型。

鉴于此，美国圣地亚哥州立大学Yang Yang教授团队和武汉大学Ziyu Wang教授团队合作，报告了一种策略，在 3D 打印的墨鱼骨启发结构中生长可回收和可修复的压电罗谢尔盐晶体（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能检测的新型强化复合材料。论文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”为题，发表在Nature Communications期刊。圣地亚哥州立大学及加州大学圣地亚哥分校联合培养博士生Qingqing He，南加州大学博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大学材料科学与工程学院特聘副研究员Laiming Jiang为论文的共同第一作者。论文参与作者还包括圣地亚哥州立大学Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大学博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武汉大学Pei Li，Yue Hou，加州大学尔湾分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College学院学生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

文章亮点

1.在3D打印墨鱼骨结构中生长RS晶体，用于具有集成机械保护和传感功能的智能监控设备。

2.研究了3D打印墨鱼骨结构中RS晶体的合成和压电性能机理，即3D打印罗谢尔盐墨鱼骨复合材料（RSC）。

3.制造的复合材料表现出卓越的压电和机械性能，以及优异的可修复和可回收特性。

4.基于3D打印RSC的智能阵列装甲以及护膝可以实现对佩戴者所受力的位置和大小的检测。 这些结果为体育、医学、军事和航空航天等各种应用的新一代智能监控及检测电子设备奠定了基础。

图 1. 3D 打印 RSC 的设计和晶体生长过程a) 仿生3D打印墨鱼骨骼结构和RS晶体生长过程示意图；b) 3D打印结构中不同时间晶体生长的图片；样品的CT扫描图和样品的EDX元素分析；c) 多个3D打印的人造墨鱼骨复杂结构的照片，展示了这种3D打印方法的设计灵活性。

图 2. 3D 打印的 RSC 机械性能研究及比较

图 3. 3D 打印 RSC 的回收和修复性能研究a) 通过注射器滴加RS溶液修复破损的3D打印RSC样品过程的示意图和照片；b) 3D打印-RSC回收过程照片；c) 原始3D打印RSC样品与回收和修复后样品的压电响应比较；d) 原始样品、修复样品、回收样品的力学性能对比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 样品的断裂韧性 (KIC) 和弯曲强度 (KF) 比较。

图4. 复合材料在智能跌倒检测保护增强护膝中的应用a) 护膝示意图及图片，以及护膝报警检测测试；b) MATLAB元件块分布以及智能护膝跌倒测试得到的输出电压的电压波形；c) 智能护膝感应不同程度跌倒（包括轻度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的电压输出波形和MATLAB压电元块分布数据采集。