随着临床对更精确和个性化健康监测技术的需求增长，基于增材制造（3D打印）的可穿戴设备迅速发展。虽然3D打印的材料选择库不断增加，但将材料、设计和数字化制造集成在统一的工作流程中仍然具有挑战性。
据麦姆斯咨询报道，近期，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）、洛桑联邦理工学院（EPFL）、瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的研究人员共同开发出一种数字化3D打印平台，用于集成制造带有嵌入式压阻传感器的有机硅柔性可穿戴设备，例如智能鞋垫。这种数字化制造方法允许快速调整传感器布局以满足特定的用户需求，从而在多次快速迭代中不断改进鞋垫。该研究开发的材料和制造工艺使新一代全3D打印柔性电子健康监测设备成为可能。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。
本项研究提出的带有嵌入式传感器的个性化鞋垫的分析和制造
这项研究工作所提出的数字化制造平台依赖于合适的材料选择库的开发。为此，研究人员准备了一套符合直接墨水书写（DIW）所需流变特性的油墨，该油墨还具有打印功能传感器和机械可调3D结构所需的材料特性。研究人员将含有纤维素纳米晶体（CNC）和/或炭黑填料的有机硅油墨经过精心设计，用于鞋垫的直接墨水书写，并嵌入能够测量法向力和剪切力的压阻式传感器。
该鞋垫的传感器布局基于足部的骨骼结构，压阻式传感器位于预期承受大量机械负载的兴趣区域。使用功能性油墨（含5.0%和12.5% w/w纤维素纳米晶体）打印鞋垫以生成三维底座形状，压阻油墨（含4% w/w炭黑）用于打印传感元件，导电油墨用于打印电极和连接元件。为了保护传感器和电极免受磨损，还使用了含5.0% w/w纤维素纳米晶体的功能性油墨在鞋垫底座顶部印刷了一个整体封装层。这一附加层在静态压缩过程中能够产生加强效应并增加传感器响应，从而将压阻元件的灵敏度提高到16.8 ± 1.5 Ω/kPa或0.3 ± 0.0%/kPa。
功能性油墨和压阻油墨的设计与表征
用于测量法向力和剪切力的压阻式传感器
基于上述所开发的压阻式传感器，研究人员首次展示了一种完全集成制造的3D打印鞋垫，具有法向力和剪切力传感功能，可用于实时步态监测。通过模拟行走人员静态和动态负载的机械测试，研究人员验证了该传感器和鞋垫的性能。接着，通过重制商用鞋垫的表面来构造带有嵌入式传感器的鞋垫，并在鞋内进行测试，以捕捉自由活动状况下的步态。实时步态监测测试表明，分布在鞋垫特定位置的法向力和剪切力传感器的组合能够提供广泛的运动数据，可有效用于识别步态模式和身体活动强度。
带有嵌入式传感器的全3D打印鞋垫及其对各种体育活动的响应
综上所述，该研究通过开发功能性油墨实现了全3D打印鞋垫，该鞋垫带有嵌入式压阻传感器，适用于人体步态的法向力和剪切力监测。通过将这些传感器放置在用户鞋垫的特定位置，可以识别和量化实际活动状况下的步态。由于原材料易于获得，并且可以在室温下使用材料挤出式3D打印机进行加工，因此具有成本效益。此外，油墨配方中有机硅的生物相容性使其对皮肤安全，且灵活耐用，适合于人类佩戴。因此，这种数字化制造技术将为定制开发用于康复监测和运动步态分析的智能鞋开辟新的道路。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-023-29261-0
延伸阅读：
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