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

閱讀：729 發(fā)布時(shí)間：2023-11-8
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近來，由于集成傳感和保護(hù)的需要，用于運(yùn)動(dòng)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(cè)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(wú)機(jī)陶瓷組裝而成,，無(wú)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(dòng)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(gè)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(guó)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(duì)佩戴者所受力的位置和大小的檢測(cè),。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(cè)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(zhǎng)過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結(jié)構(gòu)和RS晶體生長(zhǎng)過程示意圖,；b) 3D打印結(jié)構(gòu)中不同時(shí)間晶體生長(zhǎng)的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析,；c) 多個(gè)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(duì)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(cè)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(cè)測(cè)試,；b) MATLAB元件塊分布以及智能護(hù)膝跌倒測(cè)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,。

備注：已獲得轉(zhuǎn)載版權(quán)

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