據麥姆斯咨詢報道，近期，西蒙弗雷澤大學（Simon Fraser University）機電系統工程學院增材制造實驗室的研究人員開發出一種柔性壓力傳感器陣列。這種傳感器采用了獨特的柱狀折紙（Pillar-Origami）結構，利用3D打印技術優勢，實現了對傳感器剛度和壓力測量范圍的精確控制。該柔性壓力傳感器具有很強的適應性，檢測范圍覆蓋70 kPa ~ 2500 kPa，靈敏度介于0.01 kPa?1 ~ 0.0002 kPa?1之間，響應時間僅為800 ms，這些特性使其在生物醫學和體育科技等領域擁有廣泛的應用前景。相關研究成果以“Wireless pressure monitoring system utilizing a 3D-printed Origami pressure sensor array”為題發表在npj Flexible Electronics期刊上。
在這項研究工作中，研究人員采用了雙噴嘴熔融沉積建模（FDM）3D打印技術。這種方法能夠在單步工藝中同時打印出柔性傳感器的結構體及其導電部件，有效解決了層間粘附問題。此外，由于壓力測量陣列采用模塊化傳感單元，研究人員能夠根據終端用戶的具體需求，靈活定制壓力測量墊的尺寸、形狀和分辨率。值得一提的是，如果傳感器陣列中的任一傳感器發生故障，可以單獨更換損壞的傳感單元，而無需更換整個裝置。這樣的設計不僅降低了維護成本，而且增加了壓力測量墊的可持續性，有助于延長使用壽命。
該壓力測量墊由兩個基本要素構成：陣列和傳感單元。根據應用需求和用戶特定要求，傳感器陣列可以設計成不同的形狀和尺寸。傳感單元包括兩個關鍵部件：傳感器的基底結構和電介質結構。通過將雙結構設計巧妙地整合在測量墊基底結構中，實現了對其剛度的精確控制。這種獨特的結構設計被稱為柱狀折紙（PO）結構，它使得傳感器的剛度可以根據不同的壓力傳感應用需求進行精確調節，從而確保壓力測量的精確度和適用范圍。
圖1 可靈活定制的柱狀折紙結構壓力測量墊
圖2 柱狀折紙結構的剛度可調節性
采用柱狀折紙結構設計的3D打印壓力測量墊，為醫療保健和體育科技等領域提供了一個既經濟又高適應性的壓力測量解決方案，解決了市場上現有壓力測量墊在尺寸和傳感精度方面普遍存在的局限?；谥鶢钫奂埥Y構的壓力傳感器展示出了多樣化的剛度特性，能夠有效過濾皮膚形變，實現高精度的電容式壓力傳感。該傳感器的檢測范圍可調，覆蓋70 kPa ~ 2500 kPa，靈敏度介于0.01 kPa?1 ~ 0.0002 kPa?1之間，并且響應速度快，僅需800 ms，性能優異。此外，通過引入模塊化傳感器陣列，不僅提升了維護的便利性，還能更靈活地調整和提高測量分辨率。
圖3 柱狀折紙結構的壓力傳感性能
圖4 用于醫療保健監測的柱狀折紙結構壓力測量墊
這項研究基于獨特的柱狀折紙結構，實現了可定制的無線壓力測量墊。該技術可實際應用于無線腳壓測量和運動保護墊，標志著柔性且可定制形狀的壓力傳感器技術發展的重要進程。未來，該技術有望在生物醫學和運動應用等多個領域展現出廣闊的發展前景。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41528-024-00309-z
