用于智能轮胎的3D打印石墨烯自供电传感器取得突破

研究人员在弗吉尼亚理工大学已经开发出一种突破性的方法，自供电，无线应变传感器集成到使用3D打印和石墨烯的智能轮胎。他们的工作最近发表在《自然》上，描述了用于轮胎的基于石墨烯的压阻传感器的开发和具有成本效益的集成，该传感器可以无线测量和安全地传输轮胎数据。这些传感器可以提供有关轮胎负载，压力，温度等的信息，具有很高的能效，并从轮胎本身收集应变能以传输无线数据。

这背后的新的工作团队包括来自研究中心的研究轮胎（CenTiRe）和机械工程系在弗吉尼亚理工学院暨州立大学，以及来自材料科学与机械工程的宾夕法尼亚州立部门。

在出现全自动驾驶汽车之前，将出现智能轮胎。至少诺基亚诺基亚（Nokian Tires）（一家以冬季轮胎专业而闻名的芬兰轮胎制造商）的专家认为，这是他们预测智能轮胎将在五年内普及的预测的一部分。

他们的观点是，在未来自动驾驶将更加普遍地围绕围绕自动系统的安全性和可靠性制定的法规的情况下，这将更多地出于满足安全要求的需要而产生。实际上，据估计，从2015年到2018年，到2020年，预计将有1000万辆无人驾驶汽车上路。尽管目前情况还不算很远，但不断的进步和改进表明，这种数字在不久的将来将成为可能。

图片由Virginia Tech and Nature提供。

如果没有驾驶员，则需要使用传感器和连接技术将信息直接中继到车载或远程系统的新方法来测量轮胎状况和安全性。这些传感器将提供数据，以通知有关轮胎状况，温度，压力，抓地力和磨损以及更换的自主决策。

将来，联网服务模型将实现更多的自动化预防性维护，例如轮胎更换服务-传感器将车载系统的更换通知传感器，从而将其连接到附近的轮胎服务提供商，后者将新轮胎分发给轮胎服务提供商。车主。即使对于当前的传统汽车，此类传感器技术也可以与传统轮胎集成在一起，以减少由于轮胎相关问题而导致的道路事故数量。

图片由Virginia Tech and Nature提供。

2018年初，弗吉尼亚理工大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的合作开发了一种新颖的基于立体光刻的方法，以3D打印理论上任何尺寸或形状的石墨烯，其分辨率比以前更高。这使石墨烯在航空航天，传感器和电池等应用中具有独特的应用，该应用将高导热性和导电性与强大的机械性能完美地结合在一起。今年早些时候，我们还报道了弗吉尼亚理工大学针对乳胶橡胶开发的一种新颖的3D打印方法，该方法具有高分辨率，其机械性能类似于传统乳胶橡胶。

在本文中，传感器是通过这种新颖的3D打印方法使用石墨烯基油墨制成的，该油墨具有皱纹的微观结构。皱纹提供了很高的柔韧性，并防止了传感器由于轮胎中的反复变形或大变形而损坏或失效。与传统传感器相比，发现石墨烯传感器可提供更高的性能并且更灵敏。

弗吉尼亚理工大学研究人员开发的3D打印方法使3D打印应变传感器的成本低至2.7美分。他们的方法使用带有银纳米颗粒的气雾剂来优化印刷工艺，然后化学还原氧化石墨烯片以获得具有增强电导率的还原氧化石墨烯。这些传感器可以直接印刷在各种基材上，将其应用范围扩展到不仅仅是轮胎材料。

图片由Virginia Tech and Nature提供。

这不是第一次尝试将无线传感器集成到轮胎中，以使它们“智能”地实时感测和传达动态参数。然而，这些努力的主要区别在于，这些传感器依赖于外部电源，通常是刚性的，它们的开发和集成涉及多个步骤，从而增加了复杂性和成本这种用于轮胎的无线机制。

例如，加速度计可以是刚性的，电容式传感器具有变化的灵敏度，使用电磁的能量收集方法可以是大型且难以集成的，或者是柔性的但制造成本昂贵的纳米发电机。最终，在这种情况下，压电贴片是研究人员的首选方法，因为它具有灵活性，承受大变形而不会失效，具有成本效益以及易于集成的能力。