问答：可穿戴传感器的超快速制造

南佛罗里达大学机械工程助理教授 Ying Zhong 和她的团队发明了一种无需聚合物粘合剂即可打印可穿戴传感器的新方法。他们称他们的产品为电子皮肤。

技术简介 ：是什么让您产生了使用静电力打印柔性传感器的想法？

钟英教授： 我们有一些合作者正在制造柔性设备——用丝网印刷来印刷它们。这意味着您必须将功能性粉末与粘合剂混合，加热并等待它们干燥，这需要很长时间。因此，我们一直在寻找无需加热和干燥即可更快打印的方法。

我一直在从事另一个有趣的项目：使用电晕放电处理聚合物薄膜的表面。我们意识到日冕可以产生一种独特的强电场，我们可以用它来提升小物体。这让我们想知道是否可以在薄膜下方放置干粉以将粉末直接吸引到基材上——我们尝试过，它奏效了。

我们发现了一个问题，并意识到我们已经在研究的一项技术可能是解决方案。

技术简介： 我认为这就是技术进步经常发生的方式。我的下一个问题是，一旦颗粒被吸引到基板上，它们是如何保持在那里的？

钟： 正如我们在已发表的论文中所描述的，我们正在使用 8 微米厚的医用胶带，该胶带具有用于固定颗粒的粘合剂涂层。它很薄，贴在皮肤上时感觉不到。

技术简介： 在制造此产品时，您将如何整合不同类型的传感器？

钟： 这种打印技术是“通用的”——它可以打印不同类型的功能材料。因此，例如，我们可以使用石墨烯或碳纳米管 (CNT)，它们会改变电阻率以反映应变的变化。其工作机制是应变改变了颗粒之间的距离，引起了反映传感器应变大小的电阻变化。

我们还在论文中报道了一种基于热致变色粉末的温度传感器。正如我所说，这是一种通用的打印技术——您可以打印不同类型的功能材料。现在我们正在展示我们可以打印温度敏感纹身，当温度变化时会改变颜色。我们还在尝试打印对湿度和不同类型的气体（如氨气、一氧化碳等）敏感的材料。

技术简介： 您是否考虑过如何在商业上实现这一点。在我看来，您必须制造一种完全不同的 3D 打印机。

钟： 是的，我们目前正在与 Jabil, Inc. 合作。建立一个卷对卷系统，可以让您高速制造设备。由于我们不使用粘合剂，我们不必加热然后等待材料干燥。这意味着通过使用这种卷对卷系统进行打印——以产生静电力——我们可以快速、低成本地制造柔性设备甚至 3D 结构。

技术简介： 产生和处理产生电晕所需的高压是否困难？

钟： 虽然我们需要 20 到 30 千伏来产生电晕，但电流非常低，低于 0.1 毫安——我们的实验室设备使用的功率不到 2 瓦——非常节能。

技术简介： 确保高压不会造成伤害有问题吗？

钟： 好吧，当然，您必须管理系统并掩盖所有周围的导电区域。根据我们的观察，只要你用绝缘层盖住电极支架，它就可以很好地工作——我们并没有遇到太大的麻烦。

技术简介： 你用什么材料做封面？

钟： 目前，在我们的实验室中，我们只是使用绝缘胶带。未来，我们计划创造一种更易控制的表面涂层或绝缘支架，这很容易做到。我们可以使用聚合物来实现涂层，并使用 3D 打印机来制造原型。我的实验室有多个与聚合物相关的项目，所以应该很容易。

技术简介： 除了“电子皮肤”应变传感器之外，您还有其他应用吗？

钟： 是的，例如，我们一直在与一家公司讨论制造智能应变感应地毯，这变得实用，因为我们的制造技术成本极低，速度极快，可用于打印大面积产品。这个想法是生产可以识别有多少人站在上面的地毯。例如，您可以根据房间内的入住人数调整 HVAC 系统的能耗。

我们还与一位同事合作申请假肢康复。我们的同事与难以控制双腿行为的人一起工作。因为我们的传感器超薄，所以非常舒适，您可以将其做得足够大以佩戴。这可以用来帮助他们确定如何更好地控制腿的行为。

未来有许多可能的应用。例如，您可以将其连接到机器人的手上。如果你想让它捡起东西，它可以感知施加了多少压力以及它接触了多少面积。

技术简介： 您对何时可以用于商业用途有一个粗略的猜测吗？

钟： 目前，我们正在与 Jabil 合作，在我们的实验室中建立一个小型卷对卷系统。如果它运作良好，我们将在 Jabil 中设置它，并帮助他们制造大量或大尺寸的传感器。这可能需要三到五年的时间，但尤其是现在，很难预测。

本次采访的编辑版本出现在 2022 年 1 月的 Tech Briefs 杂志上。