低ヒステリシスフレキシブルセンサーの製造のための高弾性イオンゲルの光硬化3Dプリント

出典: MEMS

フレキシブルセンサーは、優れた伸縮性、導電性、適合性を備えているため、健康診断、動作監視、人間とコンピューターの相互作用に広く使用されています。しかし、柔らかい材料の固有の粘弾性により、フレキシブルセンサーは動的荷重中に元の形状に素早く戻ることができず、フレキシブルセンサーの信号に大きなヒステリシスが生じ、フレキシブルセンサーの監視精度に重大な影響を及ぼし、実用化を妨げます。ヒステリシスの低いフレキシブルセンサーを迅速かつ正確に準備する方法は、依然として課題となっています。

△光硬化3Dプリント高弾性イオンゲル、低ヒステリシスフレキシブルセンサーの製造。福建省「境界管帥」重点プロジェクトと閔都イノベーション実験室が自主的に展開する重点技術研究プロジェクトの支援を受けて、中国科学院福建省物質構造研究所の呉立新研究員らのチームは、水素結合アクリレートモノマーとイオン液体をベースにした硬化速度の速い感光性樹脂を製造した。これは多孔質イオンゲルフレキシブルセンサー（PIFS）のDLP印刷に適しており、変形しやすいIWP格子構造をPISSに導入してフレキシブルセンサーの弾力性を向上させた。

△センサーの圧縮性能と感度テスト。 (a) IWPユニット構造の3Dモデル、IWPベースの格子サンプル設計、および対応するDLP印刷サンプル。 (b) セダンに挟まれた格子構造センサーの物理的イメージ。 △人間の動きをリアルタイムで検出するための、さまざまなカスタマイズされた構造を備えた柔軟なセンサーを3Dプリントします。 (a) IWP構造格子を備えた3Dプリント多孔質センサー。 (b) 3D プリントされた多孔質指スリーブ (c) 多孔質構造を持つ 3D プリントされた柔軟なフィルム。（d）センサーはIWP構造マトリックスを採用しており、人間の手首の脈拍検出に使用されます。 (e) 異なる指の曲げ角度を表す抵抗反応。 (f) 3Dプリントされた多孔質膜を使用した手首の屈曲運動のリアルタイム検出。 (g) 歩行認識用の圧力センサーとして3Dプリントされた多孔質インソール。さまざまな歩行における抵抗反応：（h）歩行と（i）走行。スケールバーは5mmです。
実験結果によると、70% のひずみで 500 サイクルの圧縮を行った後、格子構造 PIFS の残留ひずみはほぼゼロになり、ヒステリシスループはほぼ重なり合っており、PIFS が優れた弾力性と耐疲労性を備えていることが示されています。高い弾性と耐久性により、PIFS はヒステリシスが低く (2.4%)、長期にわたる周期的な負荷時に信頼性の高い検知信号を提供します。格子構造の導入により、PIFS の圧力感度も向上しました (0.45 kPa-1)。

この研究では、自由な構造設計の利点を持つ3Dプリント技術も活用し、脈拍、指、歩行、手首の動きを監視するためにカスタマイズされた構造のPIFSを設計および印刷します。さらに、PIFS はガラス転移温度が低く (-45.8°C)、低温環境でも安定して動作します。同時に、PIFS は抗菌性や温度変化への高速応答性も備えており、温度変化を監視できる多機能フレキシブルセンサーです。このシンプルな準備戦略は、高収率で高性能のカスタマイズされた PIFS を印刷するのに適しています。

関連研究は国際誌「Chemical Engineering Journal, 2022, 439, 135593」に掲載された。博士課程学生のPeng Shuqiang氏が論文の筆頭著者であり、上級エンジニアのWeng Zixiang氏と研究者のWu Lixin氏が責任著者である。

近年、同チームは光硬化型3Dプリント樹脂の研究において一連の重要な進歩を遂げた。柔軟なセンサーを調製するための3D印刷（2021、31、2008729; ACS Applied Materials＆Interfaces、2020、12、6479-6488）（化学工学ジャーナル、2022、427、131580） 9424）;再構成可能な4D印刷形状メモリポリマー（2019、11、40642-40651）; 4917-4926; Composites Part A, 2019, 117, 276-286); Xu Ying の研究グループと共同で開発した高強度、高温耐性のシアネートエステル 3D プリント樹脂 (ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 38682-38689) およびデュアルキュア 3D プリント樹脂システム (Journal of Materials Science, 2019, 54, 5865-5876)。
論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135593

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