仿生PDMS -石墨烯悬臂梁式流量传感器采用3D打印和复制件成型。

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:36
文章英文标题
Bioinspired PDMS-graphene cantilever flow sensors using 3D printing and replica moulding.
正文
在动物体内发现的流动感受器通常具有柔软细长的结构(如鱼类神经瘤、昆虫毛发、哺乳动物体视纤毛束等),能够响应周围微小的流动扰动,提高动物对猎物和/或捕食者的警惕性。然而,模拟其生物对应的材料特性(如低弹性模量)和几何结构(如大展弦比结构)的仿生流动传感器的制备仍然是一个挑战。本工作借鉴自然界中发现的机械感应式流动传感原理,发展了一种简便、低成本的制备大展弦比( HAR )悬臂梁式流动传感器的方法。提出的工作流程包括高分辨率3D打印制作主模,复制件成型制作HAR聚二甲基硅氧烷( PDMS )悬臂梁(厚度0.5 ~ 1 mm,宽度3 mm,长宽比20 ),微流控通道( 150 µ m宽×90 µ m深)压印,最后将石墨烯纳米片墨水滴注到微流控通道中,在悬臂梁固定端附近制作压阻式应变片。压阻式流量传感器在风洞内受控气流( 0 ~ 9 m / s )中进行测试,其灵敏度高达5.8 kΩ / ms-1,滞后性低(全尺寸偏转的11 % ),重复性好。传感器输出对气流速度呈现二阶依赖性,与解析和有限元模型预测吻合较好。此外,该传感器还采用振荡偶极子在水箱内进行激励,在15 Hz的激励频率下,能够感知16 - 30 µ m / s的振荡流速。本工作提出的方法可以方便快速地成型柔性HAR结构,这些结构可以作为功能仿生流动传感器和/或物理模型应用于解释生物现象。
文章内容(英文)
Flow sensors found in animals often feature soft and slender structures (e.g. fish neuromasts, insect hairs, mammalian stereociliary bundles, etc.) that bend in response to the slightest flow disturbances in their surroundings and heighten the animal's vigilance with respect to prey and/or predators. However, fabrication of bioinspired flow sensors that mimic the material properties (e.g. low elastic modulus) and geometries (e.g. high-aspect ratio structures) of their biological counterparts remains a challenge. In this work, we develop a facile and low-cost method of fabricating high-aspect ratio (HAR) cantilever flow sensors inspired by the mechanotransductory flow sensing principles found in nature. The proposed workflow entails high-resolution 3D printing to fabricate the master mould, replica moulding to create HAR polydimethylsiloxane (PDMS) cantilevers (thickness = 0.5 - 1 mm, width = 3 mm, aspect ratio = 20) with microfluidic channel (150 µm wide × 90 µm deep) imprints, and finally graphene nanoplatelet ink drop-casting into the microfluidic channels to create a piezoresistive strain gauge near the cantilever's fixed end. The piezoresistive flow sensors were tested in controlled airflow (0 - 9 m/s) inside a wind tunnel where they displayed high sensitivities of up to 5.8 kΩ/ms\u003csup\u003e-1\u003c/sup\u003e, low hysteresis (11% of full-scale deflection), and good repeatability. The sensor output showed a second order dependence on airflow velocity and agreed well with analytical and finite element model predictions. Further, the sensor was also excited inside a water tank using an oscillating dipole where it was able to sense oscillatory flow velocities as low as 16 - 30 µm/s at an excitation frequency of 15 Hz. The methods presented in this work can enable facile and rapid prototyping of flexible HAR structures that can find applications as functional biomimetic flow sensors and/or physical models which can be used to explain biological phenomena.
来源出处
Journal|[J]NanotechnologyVolume 32, Issue 9. 2020.
DOI
https://doi.org/10.1088/1361-6528/abcc96

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