采用导电碳纤维复合材料3D打印内置温度传感器的压力传感器

作者:本刊编译 发布时间:2021-09-09
压力传感器是精确感知外力的重要工具,但它们通常只能感知单一方向的力。在一项新的研究中,韩国的科学家们通过3D打印导电聚合物复合材料来制造与温度传感器耦合进行电阻校准的多向压力传感器,从而将压力传感器提升到了一个新的水平。这种3D打印的传感器成本低,能够用于大批量生产的机器人夹持器和触觉传感器之中。


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采用导电碳纤维复合材料3D打印内置温度传感器的压力传感器

处理诸如异常步态和肌肉疾病等许多医学问题需要精确的压力感应,在此方面,简单、轻便且成本低的柔性压力传感器备受关注。这些传感器是通过增材制造或通常所说的3D打印的方式被设计和制造的,使用导电聚合物复合材料作为构建材料。 

然而,直到目前为止,所有3D打印的压力传感器都只能感知单一方向的外力,这在实际应用中远远不够,因为实际应用可能会涉及到沿不同的角度和方向施加力的情况。此外,大多数导电聚合物的电阻会随温度而变化,必须进行补偿才能精确感应压力。

在发表于《Composites Part B:Engineering》中的一篇论文中,由韩国大邱庆北科技学院的Hoe Joon Kim教授领导的一个科学家团队,采用全新设计的、与温度传感元件耦合的多轴压力传感器解决了这一问题,克服了传统传感器的局限性。

Hoe Joon Kim教授解释说:“我们的多轴压力传感器即使在倾斜力的作用下,也能成功地捕捉到读数。同时,温度传感元件可以根据温度变化校准电阻漂移。不仅如此,可扩展的低成本制造方法还与各种商用3D打印机完全兼容。”

科学家们首先使用多壁碳纳米管(MWCNTs)和聚乳酸(PLA)制备了可打印的导电聚合物,接着,他们采用商用弹性体和由MWCNTs/PLA复合材料长丝制成的传感材料,通过3D打印构建了传感器的主体。该传感器是基于一个保险杠的结构,下面有凹槽,采用3个压力感应元件进行多轴压力检测,采用温度感应元件进行电阻校准。通过评估每个压力感应元件的响应,该传感器能够成功地校准作用力的大小和方向。这种保险杠结构,当安装在一个3D打印的触发器和一个手爪中时,能够清楚地区分不同的人体动作和抓持动作。

Kim comments教授表示:“这种3D打印技术已在能源、生物医药和制造业中有着广泛的应用。将这种传感元件加入到机器人夹持器和触觉传感器中,可以检测出随温度变化的多个方向的力,这预示着机器人技术新时代的到来。”

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