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  最近，輕便、耐用且智能的生物電子傳感器在運動和老年學領域得到了廣泛的研究和開發，這是由于集成傳感功能和保護需求的增加。然而，智能傳感功能和高強度的保護并不總能達到平衡。例如，最前沿的可穿戴電子產品用軟性壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB）構建，但它們在保護方面存在不足。相比之下，高級裝甲采用堅固的有機纖維、金屬或無機陶瓷制成，但難以應用于傳感器技術。未來的應用將需要將傳感和保護功能整合到一體，以生產多功能可穿戴傳感器，如運動背心、太空裝甲和老年護理設備，這將需要新的制造策略來實現。

  多功能傳感器結構設計的基礎是源于受啟發和構建于特定微觀結構的轉化。自然界中存在的生物結構已經演化了成千上萬年，并因其低密度和高強度而在各種應用的功能結構材料設計中引起廣泛興趣。一個引人注目的例子是墨魚（Cuttlefish），其具有堅固的墨魚骨結構（Cuttlebone），能夠承受深海高水壓環境。墨魚骨的卓越保護性能關鍵在于其獨特的腔壁隔片微結構，能夠在高壓環境下實現高剛度和吸能性。此外，這些隔片微結構還在墨魚骨內部提供了高孔隙率，成為多功能傳感器設計的絕佳模型。

  鑒于此，美國圣地亞哥州立大學Yang Yang教授團隊和武漢大學Ziyu Wang教授團隊合作，報告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發結構中生長可回收和可修復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化復合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”為題，發表在Nature Communications期刊。圣地亞哥州立大學及加州大學圣地亞哥分校聯合培養博士生Qingqing He，南加州大學博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大學材料科學與工程學院特聘副研究員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Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學Pei Li，Yue Hou，加州大學爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學院學生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

文章亮點

  1.在3D打印墨魚骨結構中生長RS晶體，用于具有集成機械保護和傳感功能的智能監控設備。2.研究了3D打印墨魚骨結構中RS晶體的合成和壓電性能機理，即3D打印羅謝爾鹽墨魚骨復合材料（RSC）. 3.制造的復合材料表現出卓越的壓電和機械性能，以及優異的可修復和可回收特性。4.基于3D打印RSC的智能陣列裝甲以及護膝可以實現對佩戴者所受力的位置和大小的檢測。這些結果為體育、醫學、軍事和航空航天等各種應用的新一代智能監控及檢測電子設備奠定了基礎。

圖 1. 3D 打印 RSC 的設計和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結構和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結構中不同時間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個3D打印的人造墨魚骨復雜結構的照片，展示了這種3D打印方法的設計靈活性。

圖 2：3D 打印-RSC 的壓電性能。

圖 3. 3D 打印 RSC 的回收和修復性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復破損的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樣品與回收和修復后樣品的壓電響應比較；d) 原始樣品、修復樣品、回收樣品的力學性能對比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強度 (KF) 比較。

圖4. 復合材料在智能跌倒檢測保護增強護膝中的應用a) 護膝示意圖及圖片，以及護膝報警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護膝感應不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數據采集。

  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年獲得武漢大學物理學學士學位。2015 年在武漢大學和加州大學洛杉磯分校 (UCLA) 獲得聯合培養博士學位。其研究重點是仿生3D打印的機器、材料和結構開發。在加入圣地亞哥州立大學（SDSU） 之前，楊博士博士后就職于南加州大學 (USC) 工業與系統工程系先進制造中心（Center for Advanced Manufacturing）。他曾獲得“2022年 SME Sandra L. Bouckley Outstanding Young Manufacturing Engineer Award”，并撰寫了 50 多篇同行評審出版物，如“Science Advances”、“Advanced Materials”、“Energy & Environmental Science”、“Research”。也同時是《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楊陽課題組現全面招收全獎Ph. D學生，歡迎有志青年聯系：yyang10@sdsu.edu。

王自昱, 教授, 博導, 2011年于亞利桑那州立大學/武漢大學獲聯合培養博士學位, 2011-2012于南洋理工大學從事博士后研究; 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等, 主持或參與的研究成果發表在Nature Communications,  Advanced Materials, Advanced Science, Nano Energy等期刊。

蔣來明，四川大學副研究員，2019年于四川大學獲博士學位，期間受CSC資助到美國南加州大學進行博士聯合培養，畢業后繼續在南加州大學從事博士后研究；長期從事高性能壓電材料及新興超聲生物電子的研發，主持或參與的研究成果發表在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。