高分辨率3D打印兼具超拉伸性与高灵敏度的应变传感器

        柔性应变传感器在人体运动检测等领域应用广泛，但其高灵敏度与高拉伸性能难以兼顾。浙江理工大学杜磊与华南农业大学徐江涛团队合作，利用熔体电写（MEW）这一先进增材制造技术，制备出高分辨率且结构精确的热塑性聚氨酯（TPU）晶格，再通过层层自组装沉积还原氧化石墨烯（rGO）以赋予其导电性，同时优化结构与参数。该团队成功研发出兼具高灵敏度（应变范围 115%-140% 时 GF 达 3807.8）和宽工作范围（达 140%）的柔性应变传感器，还具备出色耐久性，经 5000 次循环测试性能稳定，可精准检测从吞咽到关节弯曲等多种运动。相关工作以"High - resolution 3D printed strain sensor with superb stretchability and sensitivity: Unveiling the potential of melt electrowriting"为题发表在《Materials Today》上。
研究内容
     通过使用FTIR和拉曼光谱分析GO与TPU的化学相互作用，测试箱形和菱形结构TPU晶格的应力-应变曲线，并进行有限元模拟，研究了rGO/TPU传感器的材料相互作用和结构力学性能，结果表明NaOH处理增强了TPU表面亲水性，rGO成功还原，菱形结构比箱形结构拉伸强度更高、应力分布更均匀且伸长率达1041%。

通过对比不同NaOH处理时间、GO浓度和纤维间距下传感器的相对电阻变化，结合SEM观察表面形貌，研究了工艺参数对rGO/TPU传感器性能的影响，结果显示NaOH处理12小时、4mg/mL GO浓度和500μm纤维间距时，传感器在140%应变下GF达3807.8，而处理24小时或GO浓度6mg/mL会导致性能下降。

通过将传感器放置在植物的雌蕊上展示其轻质透明特性，测试10%应变下的响应时间，进行不同应变范围的循环测试和5000次50%应变循环，研究了rGO/TPU传感器的机电性能和耐久性，结果表明传感器响应时间约260ms，5000次循环后电阻变化稳定，性能优于同类研究。

通过SEM观察传感器在不同应变下的结构和表面形貌变化，绘制传感机制示意图，研究了rGO/TPU传感器的拉伸变形过程和导电机制，结果显示应变下rGO层产生裂纹但内部导电路径保持，菱形结构分散应力，使传感器在宽应变范围保持信号检测能力。

通过将传感器附着在手指、手腕、膝盖等部位，实时记录电阻变化，研究了rGO/TPU传感器在人体运动检测中的应用，结果表明传感器能精准检测手指弯曲、吞咽等细微及大范围动作，适用于可穿戴设备和电子皮肤技术。

研究结论
    本研究利用熔体电写技术开发出高分辨率rGO/TPU柔性应变传感器，通过NaOH和CTAB增强TPU与导电填料的界面粘附，并优化工艺参数，成功实现传感器的高灵敏度与宽传感范围。该传感器在0–75%、75%–115%和115%–140%应变范围内的应变系数分别为83.3、678.9和3807.8，响应时间为262毫秒，在50%应变下经5000次循环仍具出色耐久性。此外，其可有效检测人体关节运动和吞咽等细微动作，展现出在可穿戴设备中的应用潜力。相较于静电纺丝和传统3D打印，MEW技术在图案设计上更灵活且分辨率高，为高性能应变传感器的设计与开发提供了有效策略。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.01.017