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  最近，輕便、耐用且智能的生物電子傳感器在運(yùn)動(dòng)和老年學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和開發(fā)，這是由于集成傳感功能和保護(hù)需求的增加。然而，智能傳感功能和高強(qiáng)度的保護(hù)并不總能達(dá)到平衡。例如，最前沿的可穿戴電子產(chǎn)品用軟性壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB）構(gòu)建，但它們?cè)诒Ｗo(hù)方面存在不足。相比之下，高級(jí)裝甲采用堅(jiān)固的有機(jī)纖維、金屬或無機(jī)陶瓷制成，但難以應(yīng)用于傳感器技術(shù)。未來的應(yīng)用將需要將傳感和保護(hù)功能整合到一體，以生產(chǎn)多功能可穿戴傳感器，如運(yùn)動(dòng)背心、太空裝甲和老年護(hù)理設(shè)備，這將需要新的制造策略來實(shí)現(xiàn)。

  多功能傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是源于受啟發(fā)和構(gòu)建于特定微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。自然界中存在的生物結(jié)構(gòu)已經(jīng)演化了成千上萬年，并因其低密度和高強(qiáng)度而在各種應(yīng)用的功能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)中引起廣泛興趣。一個(gè)引人注目的例子是墨魚（Cuttlefish），其具有堅(jiān)固的墨魚骨結(jié)構(gòu)（Cuttlebone），能夠承受深海高水壓環(huán)境。墨魚骨的卓越保護(hù)性能關(guān)鍵在于其獨(dú)特的腔壁隔片微結(jié)構(gòu)，能夠在高壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高剛度和吸能性。此外，這些隔片微結(jié)構(gòu)還在墨魚骨內(nèi)部提供了高孔隙率，成為多功能傳感器設(shè)計(jì)的絕佳模型。

  鑒于此，美國圣地亞哥州立大學(xué)Yang Yang教授團(tuán)隊(duì)和武漢大學(xué)Ziyu Wang教授團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結(jié)構(gòu)中生長可回收和可修復(fù)的壓電羅謝爾鹽晶體（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能檢測的新型強(qiáng)化復(fù)合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊。圣地亞哥州立大學(xué)及加州大學(xué)圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，南加州大學(xué)博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘副研究員Laiming Jiang為論文的共同第一作者。論文參與作者還包括圣地亞哥州立大學(xué)Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學(xué)博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學(xué)Pei Li，Yue Hou，加州大學(xué)爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學(xué)院學(xué)生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

文章亮點(diǎn)

  1.在3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中生長RS晶體，用于具有集成機(jī)械保護(hù)和傳感功能的智能監(jiān)控設(shè)備。2.研究了3D打印墨魚骨結(jié)構(gòu)中RS晶體的合成和壓電性能機(jī)理，即3D打印羅謝爾鹽墨魚骨復(fù)合材料（RSC）. 3.制造的復(fù)合材料表現(xiàn)出卓越的壓電和機(jī)械性能，以及優(yōu)異的可修復(fù)和可回收特性。4.基于3D打印RSC的智能陣列裝甲以及護(hù)膝可以實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴者所受力的位置和大小的檢測。這些結(jié)果為體育、醫(yī)學(xué)、軍事和航空航天等各種應(yīng)用的新一代智能監(jiān)控及檢測電子設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

圖 1. 3D 打印 RSC 的設(shè)計(jì)和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結(jié)構(gòu)和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結(jié)構(gòu)中不同時(shí)間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個(gè)3D打印的人造墨魚骨復(fù)雜結(jié)構(gòu)的照片，展示了這種3D打印方法的設(shè)計(jì)靈活性。

圖 2：3D 打印-RSC 的壓電性能。

圖 3. 3D 打印 RSC 的回收和修復(fù)性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復(fù)破損的3D打印RSC樣品過程的示意圖和照片；b) 3D打印-RSC回收過程照片；c) 原始3D打印RSC樣品與回收和修復(fù)后樣品的壓電響應(yīng)比較；d) 原始樣品、修復(fù)樣品、回收樣品的力學(xué)性能對(duì)比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強(qiáng)度 (KF) 比較。

圖4. 復(fù)合材料在智能跌倒檢測保護(hù)增強(qiáng)護(hù)膝中的應(yīng)用a) 護(hù)膝示意圖及圖片，以及護(hù)膝報(bào)警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護(hù)膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護(hù)膝感應(yīng)不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數(shù)據(jù)采集。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-41740-6

作者簡介：

從左到右分別為: Qingqing He, Yang Yang教授, Yushun Zeng

楊陽，博士，助理教授。2009年獲得武漢大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。2015 年在武漢大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校 (UCLA) 獲得聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位。其研究重點(diǎn)是仿生3D打印的機(jī)器、材料和結(jié)構(gòu)開發(fā)。在加入圣地亞哥州立大學(xué)（SDSU） 之前，楊博士博士后就職于南加州大學(xué) (USC) 工業(yè)與系統(tǒng)工程系先進(jìn)制造中心（Center for Advanced Manufacturing）。他曾獲得“2022年 SME Sandra L. Bouckley Outstanding Young Manufacturing Engineer Award”，并撰寫了 50 多篇同行評(píng)審出版物，如“Science Advances”、“Advanced Materials”、“Energy & Environmental Science”、“Research”。也同時(shí)是《Advanced Materials》、《Small》、《Additive Manufacturing》等多家期刊審稿人。他的工作得到了 NSF 和 SDSU seed grant的支持。SDSU楊陽課題組現(xiàn)全面招收全獎(jiǎng)Ph. D學(xué)生，歡迎有志青年聯(lián)系：yyang10@sdsu.edu。

王自昱, 教授, 博導(dǎo), 2011年于亞利桑那州立大學(xué)/武漢大學(xué)獲聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位, 2011-2012于南洋理工大學(xué)從事博士后研究; 長期從事熱電材料性能提高研究, 熱電柔性器件及微納加工技術(shù)等, 主持或參與的研究成果發(fā)表在Nature Communications,  Advanced Materials, Advanced Science, Nano Energy等期刊。

蔣來明，四川大學(xué)副研究員，2019年于四川大學(xué)獲博士學(xué)位，期間受CSC資助到美國南加州大學(xué)進(jìn)行博士聯(lián)合培養(yǎng)，畢業(yè)后繼續(xù)在南加州大學(xué)從事博士后研究；長期從事高性能壓電材料及新興超聲生物電子的研發(fā)，主持或參與的研究成果發(fā)表在Science、Nature Photonics、Nature Communications 等期刊，其中，作為第一或通訊（含共同）作者，已發(fā)表SCI 收錄論文30 余篇，包括Nature Communications（兩篇）、Progress in Materials Science、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等。