基于3D打印的無電池折紙壓力傳感器，用于無線壓力監測
時間：2022-12-05 15:47 來源：MEMS 作者：admin 閱讀：次
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基于3D打印折紙結構的壓力傳感器，通過電感電容（LC）傳感器和單極天線實現無線壓力監測。將具有三浦折疊（Miura-ori）結構的個性化智能鞋墊和導電3D打印傳感器利用3D打印技術無縫結合。該壓力傳感器可無線監測不同姿勢的足壓力，其靈敏度在0~9
kPa和10~40 kPa的壓力范圍內可調，調節范圍為15.7~2.1
MHz/kPa。該無線壓力傳感器可用于矯形器、假肢和運動裝備等各種應用。相關研究成果已發表于Microsystems &
Nanoengineering期刊。
壓力監測結構是用于健康監測和運動生物力學的可穿戴設備的關鍵元件。足底壓力監測可幫助了解足部健康狀況，對2型糖尿病患者的足部潰瘍進行早期診斷，并有助于推進鞋類設計與開發，以及推進步態分析和運動生物力學研究。雖然已有研究人員開發了有線足壓傳感器，但有線連接使傳感設備結構變得復雜。無線連接可讓設計變得簡單，為用戶提供更加舒適的體驗。因此，基于無線通信技術的可穿戴傳感器在醫療和生物醫學應用以及智能輔助機器人等領域獲得越來越多關注。
Miura-ori結構是一種非常獨特的折紙結構，被廣泛研究并應用于工程和建筑等領域。與單層折紙結構相比，基于柔性聚合物材料制備的多層Miura-ori結構強度顯著提高，具有高表面積比、可拉伸性和剛性可折疊性等優點。通過以不同方式堆疊Miura-ori結構，可獲得力學性能可調的彈簧狀桁架結構。Miura-ori結構在壓縮作用下，其變形結果可預測，并非隨機變形。目前，折紙結構已廣泛應用于傳感、封裝、保護和沖擊能量吸收等領域，尤其是Miura-ori結構，具有更高的強度和更優異的沖擊能量吸收能力。
在該項工作中，研究人員開發了一種基于折紙結構的新型無線壓力傳感器，使用了多項3D打印技術，包括用于柔性鞋墊的熔絲制造（FFF）技術，用于LC傳感器的墨水直寫（DIW）技術，以及用于蛇形結構的多向3D打印技術。基于3D打印的折紙壓力傳感器利用射頻（RF）通信作為壓力傳感的信號傳輸，無需任何電池供電設備。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同壓力范圍內，其靈敏度分別為−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa，可通過改變折紙結構的設計參數進行定制。因此，可以使用包含減震折紙設計的個性化鞋墊來監測足底壓力。該折紙結構既是壓力傳感器的主要部分，也是支撐用戶體重的整個鞋墊結構。
該3D打印的柔性折紙鞋墊可用于遠場無線足底壓力傳感。具體而言，將基于3D打印的鏡面堆疊Miura-ori多層結構與LC傳感器結合體作為壓力傳感裝置，可以從電信號中檢測機械變形。折紙鞋墊可以根據用戶重量進行定制，可以承受從低壓到50~80公斤的人體重量壓力。其傳感組件包括3D打印的LC傳感器和通過多向3D打印的嵌入式電感器，能夠實現具有更高靈敏度的遠場傳感范圍。
總而言之，該研究提出的基于3D折紙的無線壓力傳感器可用于寬壓力范圍傳感以及個性化使用。通過利用多種3D打印技術，研究人員實現了一種具有成本效益的定制化智能鞋墊，可用于個性化的健康監測。該項研究將有助于人們通過無線壓力傳感器更簡單地進行健康監測和疾病早期診斷。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00465-0
△本研究提出的無線折紙壓力傳感器和3D結構智能鞋墊
壓力監測結構是用于健康監測和運動生物力學的可穿戴設備的關鍵元件。足底壓力監測可幫助了解足部健康狀況，對2型糖尿病患者的足部潰瘍進行早期診斷，并有助于推進鞋類設計與開發，以及推進步態分析和運動生物力學研究。雖然已有研究人員開發了有線足壓傳感器，但有線連接使傳感設備結構變得復雜。無線連接可讓設計變得簡單，為用戶提供更加舒適的體驗。因此，基于無線通信技術的可穿戴傳感器在醫療和生物醫學應用以及智能輔助機器人等領域獲得越來越多關注。
Miura-ori結構是一種非常獨特的折紙結構，被廣泛研究并應用于工程和建筑等領域。與單層折紙結構相比，基于柔性聚合物材料制備的多層Miura-ori結構強度顯著提高，具有高表面積比、可拉伸性和剛性可折疊性等優點。通過以不同方式堆疊Miura-ori結構，可獲得力學性能可調的彈簧狀桁架結構。Miura-ori結構在壓縮作用下，其變形結果可預測，并非隨機變形。目前，折紙結構已廣泛應用于傳感、封裝、保護和沖擊能量吸收等領域，尤其是Miura-ori結構，具有更高的強度和更優異的沖擊能量吸收能力。
在該項工作中，研究人員開發了一種基于折紙結構的新型無線壓力傳感器，使用了多項3D打印技術，包括用于柔性鞋墊的熔絲制造（FFF）技術，用于LC傳感器的墨水直寫（DIW）技術，以及用于蛇形結構的多向3D打印技術。基于3D打印的折紙壓力傳感器利用射頻（RF）通信作為壓力傳感的信號傳輸，無需任何電池供電設備。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同壓力范圍內，其靈敏度分別為−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa，可通過改變折紙結構的設計參數進行定制。因此，可以使用包含減震折紙設計的個性化鞋墊來監測足底壓力。該折紙結構既是壓力傳感器的主要部分，也是支撐用戶體重的整個鞋墊結構。
該3D打印的柔性折紙鞋墊可用于遠場無線足底壓力傳感。具體而言，將基于3D打印的鏡面堆疊Miura-ori多層結構與LC傳感器結合體作為壓力傳感裝置，可以從電信號中檢測機械變形。折紙鞋墊可以根據用戶重量進行定制，可以承受從低壓到50~80公斤的人體重量壓力。其傳感組件包括3D打印的LC傳感器和通過多向3D打印的嵌入式電感器，能夠實現具有更高靈敏度的遠場傳感范圍。
△3D結構鞋墊設計及模型仿真結果
△“有/沒有”周圍折紙的折紙壓力傳感器的靈敏度測試
總而言之，該研究提出的基于3D折紙的無線壓力傳感器可用于寬壓力范圍傳感以及個性化使用。通過利用多種3D打印技術，研究人員實現了一種具有成本效益的定制化智能鞋墊，可用于個性化的健康監測。該項研究將有助于人們通過無線壓力傳感器更簡單地進行健康監測和疾病早期診斷。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00465-0
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