基于3D打印折纸结构压力传感器的无线压力监测实现方案

近期，西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）机电系统工程学院增材制造实验室的研究人员开发出一种基于3D打印折纸结构的压力传感器，通过电感电容（LC）传感器和单极天线实现无线压力监测。将具有三浦折叠（Miura-ori）结构的个性化智能鞋垫和导电3D打印传感器利用3D打印技术无缝结合。该压力传感器可无线监测不同姿势的足压力，其灵敏度在0~9 kPa和10~40 kPa的压力范围内可调，调节范围为15.7~2.1 MHz/kPa。该无线压力传感器可用于矫形器、假肢和运动装备等各种应用。相关研究成果已发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

本研究提出的无线折纸压力传感器和3D结构智能鞋垫

压力监测结构是用于健康监测和运动生物力学的可穿戴设备的关键元件。足底压力监测可帮助了解足部健康状况，对2型糖尿病患者的足部溃疡进行早期诊断，并有助于推进鞋类设计与开发，以及推进步态分析和运动生物力学研究。虽然已有研究人员开发了有线足压传感器，但有线连接使传感设备结构变得复杂。无线连接可让设计变得简单，为用户提供更加舒适的体验。因此，基于无线通信技术的可穿戴传感器在医疗和生物医学应用以及智能辅助机器人等领域获得越来越多关注。

Miura-ori结构是一种非常独特的折纸结构，被广泛研究并应用于工程和建筑等领域。与单层折纸结构相比，基于柔性聚合物材料制备的多层Miura-ori结构强度显著提高，具有高表面积比、可拉伸性和刚性可折叠性等优点。通过以不同方式堆叠Miura-ori结构，可获得力学性能可调的弹簧状桁架结构。Miura-ori结构在压缩作用下，其变形结果可预测，并非随机变形。目前，折纸结构已广泛应用于传感、封装、保护和冲击能量吸收等领域，尤其是Miura-ori结构，具有更高的强度和更优异的冲击能量吸收能力。

在该项工作中，研究人员开发了一种基于折纸结构的新型无线压力传感器，使用了多项3D打印技术，包括用于柔性鞋垫的熔丝制造（FFF）技术，用于LC传感器的墨水直写（DIW）技术，以及用于蛇形结构的多向3D打印技术。基于3D打印的折纸压力传感器利用射频（RF）通信作为压力传感的信号传输，无需任何电池供电设备。在0~9 kPa和10~40 kPa的不同压力范围内，其灵敏度分别为−15.7 MHz/kPa和−2.1 MHz/kPa，可通过改变折纸结构的设计参数进行定制。因此，可以使用包含减震折纸设计的个性化鞋垫来监测足底压力。该折纸结构既是压力传感器的主要部分，也是支撑用户体重的整个鞋垫结构。

该3D打印的柔性折纸鞋垫可用于远场无线足底压力传感。具体而言，将基于3D打印的镜面堆叠Miura-ori多层结构与LC传感器结合体作为压力传感装置，可以从电信号中检测机械变形。折纸鞋垫可以根据用户重量进行定制，可以承受从低压到50~80公斤的人体重量压力。其传感组件包括3D打印的LC传感器和通过多向3D打印的嵌入式电感器，能够实现具有更高灵敏度的远场传感范围。

3D结构鞋垫设计及模型仿真结果


“有/没有”周围折纸的折纸压力传感器的灵敏度测试

总而言之，该研究提出的基于3D折纸的无线压力传感器可用于宽压力范围传感以及个性化使用。通过利用多种3D打印技术，研究人员实现了一种具有成本效益的定制化智能鞋垫，可用于个性化的健康监测。该项研究将有助于人们通过无线压力传感器更简单地进行健康监测和疾病早期诊断。