《Sensors and Actuators A: Physical》：Integrable e-tattoo wireless sensors for in-situ health monitoring of composite structures
编辑推荐：
•基于纹身的转移技术可实现超薄印刷传感器的无缝集成。•无线电子纹身应变传感器在复合材料上的灵敏度可达20.7。•通过多项式拟合和温度补偿可实现精确的应变预测。•无芯片嵌入式RF传感器可通过共振频率变化监测粘合剂的固化过程。•这种可扩展且侵入性极低的传感策略适用于新一代结构健康监测
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基于纹身的转移技术可实现超薄印刷传感器的无缝集成。
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无线电子纹身应变传感器在复合材料上的灵敏度可达20.7。
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通过多项式拟合和温度补偿可实现精确的应变预测。
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无芯片嵌入式RF传感器可通过共振频率变化监测粘合剂的固化过程。
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这种可扩展且侵入性极低的传感策略适用于新一代结构健康监测系统。
引言
结构健康监测对于提升复合材料的长期可靠性至关重要[1]、[2]、[3]。传统的无损检测技术，如超声检测[4]、X射线计算机断层扫描[5]以及涡流检测[6]，被广泛用于检测内部缺陷、分层以及其他结构问题。尽管这些方法效果显著，但往往耗时较长、需要大量人力，且依赖定期的人工检查，因此不太适合进行连续的实时监测。为克服这些局限，人们研究了多种嵌入式传感器技术，包括光纤传感器[7]、压电换能器[8]以及电阻式应变计[9]。虽然这些传感器具备实现连续监测的潜力，但它们通常需要复杂的布线工艺，可能会影响宿主结构的机械完整性。此外，它们较高的成本以及较差的适配性，也为在大型或弯曲的复合结构中广泛应用带来了挑战。
近期，印刷传感器技术的进展为复合材料的结构健康监测提供了新的解决方案。这类灵活且薄的传感器可以直接沉积在复合材料表面，或在制造过程中嵌入各层之间，从而实现实时、无线的大面积监测功能[10]、[11]。虽然传统上采用洁净室技术制造这类传感器成本较高，但如今直接墨水书写、喷墨打印以及丝网印刷等新型制造技术，使得能够生产出贴合度高、重量轻且成本较低的传感器，这类传感器无需大幅改变材料的固有特性，即可准确测量应变、温度以及损伤发展情况[12]。此外，无芯片的RFID基印刷传感器的出现，实现了无线数据采集，无需笨重的接线和外部电源。综上所述，这些创新使得印刷传感器成为下一代复合结构健康监测节点的一种具有可扩展性、高效性且侵入性极低的理想选择。
先进的制造技术，如直接打印和传感器转移技术，已成为将电子元件精准集成到各种基底上的有力工具，同时还能最大限度地减少材料浪费[13]、[14]、[15]、[16]。这些技术在开发用于可穿戴电子设备、结构健康监测以及软体机器人的柔性、可拉伸且贴合度高的传感器方面尤为重要，因为在这些应用中，机械灵活性、轻量化设计以及高灵敏度都是至关重要的[17]、[18]、[19]。在直接打印技术中，包括导电油墨、介电层以及传感元件在内的功能性材料，可通过喷墨、气溶胶喷射、丝网印刷或直接墨水书写等增材制造技术直接沉积到目标表面上[20]、[21]。尤其是直接墨水书写技术，能够将功能性油墨精准地沉积到各种基底上，从而制造出用于检测应变、裂纹或振动的定制化传感器结构。该方法无需复杂的光刻步骤，因此具有成本效益且易于大规模应用。不过，在某些情况下，打印分辨率有限、材料兼容性不佳以及与某些基底的粘附力不足等问题，仍可能影响其性能。
为解决这些问题，人们采用了传感器转移技术，先在供体基底上制造传感元件，然后再将其转移到所需的目标表面上[22]、[23]、[24]、[25]。这类方法在将高性能传感器集成到非平面、弯曲或结构复杂的表面上时尤为有用，既能保持设备的功能，又能维护结构的完整性。例如，转移打印技术可以将预先制造好的传感器无缝集成到复杂的结构部件中，从而提升可靠性，并在恶劣环境中实现稳定的传感性能。直接墨水书写技术与转移打印技术相辅相成，为开发先进的传感系统提供了可扩展的解决方案。通过结合直接墨水书写的精准图案制作能力与转移打印的灵活性，就能够制造出轻量、贴合且耐用的传感器系统，用于结构健康监测领域的实时监测。这类混合制造策略为在工程结构中构建多功能、分布式传感网络奠定了基础，有助于实现更高效的诊断和主动维护功能。
在本研究中，我们提出了一种新方法，利用市售的电子纹身纸将印刷传感器转移到各种结构上，即便在弯曲表面上也能实现简单可靠的集成。我们借助直接墨水书写技术制造了传感器图案，并成功将其转移到玻璃纤维增强塑料基底上。首先，该方法证明了可以制造出与柔性印刷无线读出电路相结合的电子纹身应变计，这类传感器在应变检测方面具有很高的灵敏度。其次，由于转移后的传感器具有极高的柔韧性和极薄的厚度，因此可以将其嵌入复合材料的接缝处，用于实时监测固化过程，而不会影响宿主材料的结构完整性。这项技术有效解决了复杂结构和复合材料中传感器集成的关键难题，为结构健康监测以及智能材料领域的先进应用拓展了可能性。
章节要点
电子纹身印刷柔性传感器
在本文中，我们介绍了电子纹身转移技术在两种不同传感器设计中的应用：一种是将电阻式应变计与柔性印刷物联网设备相结合，用于实时应变监测；另一种则是将无芯片的RF无源无线传感器嵌入复合材料的粘合接缝中，用于监测粘合剂的固化过程。如图1(a)所示，该传感器的制造流程包括通过沉积电容-电感谐振电路来打印无芯片无线传感器
结论
本研究提出了一种利用纹身纸将印刷传感器转移到各种结构表面的创新方法。由于这类传感器具有超薄且重量轻的特点，该方法能够使其无缝且不显眼地集成到结构系统中，为实时结构健康监测技术的发展带来了重大进步。传感器图案是通过直接墨水书写技术在市售的纹身纸上制作的，之后再被转移到相应结构上
传感器制造与转移过程
电子纹身应变计的制造：首先，使用3D墨水分配打印机在转移纹身纸上打印压阻导电油墨（来自英国DycoTec Materials Ltd.公司），从而形成应变计的图案。这种转移纹身纸是某款商用临时纹身产品（由美国犹他州林登市的Silhouette America, Inc.公司生产）的油墨承载介质，该公司同时也提供与之匹配的
作者贡献说明
哈桑·A·马哈茂德：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化处理、验证工作、方法设计、正式分析、数据整理、概念构思。 奥马尔·哈利法：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化处理、方法设计、数据整理。 施玉鹏：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、验证工作、方法设计。 艾哈迈德·瓦吉赫：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、指导工作、方法设计、概念构思。 塔雷克·Y·阿尔-纳富里：
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的财政支持，项目编号为BAS/1/1315-01-01。
哈桑·马哈茂德是阿卜杜拉国王科技大学“能源与移动领域复合材料力学”实验室的博士后研究员。他分别在开罗大学获得机械工程学士和硕士学位，又在同一所大学获得了机械工程博士学位。他的研究领域包括：无线传感器的设计与制造、柔性及印刷电子技术、结构健康监测，以及复合材料和结构的完整性研究。
哈桑·A·马哈茂德|奥马尔·哈利法|施玉鹏|艾哈迈德·瓦吉赫|塔雷克·Y·阿尔-纳富里|G·卢比诺
