隨著臨床對更精確和個(gè)性化健康監(jiān)測技術(shù)的需求增長，基于增材制造（3D打印）的可穿戴設(shè)備迅速發(fā)展。雖然3D打印的材料選擇庫不斷增加，但將材料、設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造集成在統(tǒng)一的工作流程中仍然具有挑戰(zhàn)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）、瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所（EMPA）的研究人員共同開發(fā)出一種數(shù)字化3D打印平臺(tái)，用于集成制造帶有嵌入式壓阻傳感器的有機(jī)硅柔性可穿戴設(shè)備，例如智能鞋墊。這種數(shù)字化制造方法允許快速調(diào)整傳感器布局以滿足特定的用戶需求，從而在多次快速迭代中不斷改進(jìn)鞋墊。該研究開發(fā)的材料和制造工藝使新一代全3D打印柔性電子健康監(jiān)測設(shè)備成為可能。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

本項(xiàng)研究提出的帶有嵌入式傳感器的個(gè)性化鞋墊的分析和制造

這項(xiàng)研究工作所提出的數(shù)字化制造平臺(tái)依賴于合適的材料選擇庫的開發(fā)。為此，研究人員準(zhǔn)備了一套符合直接墨水書寫（DIW）所需流變特性的油墨，該油墨還具有打印功能傳感器和機(jī)械可調(diào)3D結(jié)構(gòu)所需的材料特性。研究人員將含有纖維素納米晶體（CNC）和/或炭黑填料的有機(jī)硅油墨經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，用于鞋墊的直接墨水書寫，并嵌入能夠測量法向力和剪切力的壓阻式傳感器。

該鞋墊的傳感器布局基于足部的骨骼結(jié)構(gòu)，壓阻式傳感器位于預(yù)期承受大量機(jī)械負(fù)載的興趣區(qū)域。使用功能性油墨（含5.0%和12.5% w/w纖維素納米晶體）打印鞋墊以生成三維底座形狀，壓阻油墨（含4% w/w炭黑）用于打印傳感元件，導(dǎo)電油墨用于打印電極和連接元件。為了保護(hù)傳感器和電極免受磨損，還使用了含5.0% w/w纖維素納米晶體的功能性油墨在鞋墊底座頂部印刷了一個(gè)整體封裝層。這一附加層在靜態(tài)壓縮過程中能夠產(chǎn)生加強(qiáng)效應(yīng)并增加傳感器響應(yīng)，從而將壓阻元件的靈敏度提高到16.8 ± 1.5 Ω/kPa或0.3 ± 0.0%/kPa。

功能性油墨和壓阻油墨的設(shè)計(jì)與表征

用于測量法向力和剪切力的壓阻式傳感器

基于上述所開發(fā)的壓阻式傳感器，研究人員首次展示了一種完全集成制造的3D打印鞋墊，具有法向力和剪切力傳感功能，可用于實(shí)時(shí)步態(tài)監(jiān)測。通過模擬行走人員靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載的機(jī)械測試，研究人員驗(yàn)證了該傳感器和鞋墊的性能。接著，通過重制商用鞋墊的表面來構(gòu)造帶有嵌入式傳感器的鞋墊，并在鞋內(nèi)進(jìn)行測試，以捕捉自由活動(dòng)狀況下的步態(tài)。實(shí)時(shí)步態(tài)監(jiān)測測試表明，分布在鞋墊特定位置的法向力和剪切力傳感器的組合能夠提供廣泛的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可有效用于識別步態(tài)模式和身體活動(dòng)強(qiáng)度。

帶有嵌入式傳感器的全3D打印鞋墊及其對各種體育活動(dòng)的響應(yīng)

綜上所述，該研究通過開發(fā)功能性油墨實(shí)現(xiàn)了全3D打印鞋墊，該鞋墊帶有嵌入式壓阻傳感器，適用于人體步態(tài)的法向力和剪切力監(jiān)測。通過將這些傳感器放置在用戶鞋墊的特定位置，可以識別和量化實(shí)際活動(dòng)狀況下的步態(tài)。由于原材料易于獲得，并且可以在室溫下使用材料擠出式3D打印機(jī)進(jìn)行加工，因此具有成本效益。此外，油墨配方中有機(jī)硅的生物相容性使其對皮膚安全，且靈活耐用，適合于人類佩戴。因此，這種數(shù)字化制造技術(shù)將為定制開發(fā)用于康復(fù)監(jiān)測和運(yùn)動(dòng)步態(tài)分析的智能鞋開辟新的道路。

審核編輯：劉清