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西安交大賈坤副教授/北工大楊慶生教授/北理工陶然副教授 AFM：一種新型基于高密度裂紋的高靈敏、大檢測(cè)范圍柔性可拉伸水凝膠傳感器

2023-09-04 來(lái)源：高分子科技

由于柔軟和輕巧的特點(diǎn)，軟機(jī)器對(duì)人類具有固有的安全和友好性，能夠交互的智能軟機(jī)器有望融入人類社會(huì)。軟機(jī)器的智能化依賴于對(duì)環(huán)境及其自身狀態(tài)的感知，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但功能多樣的柔性傳感器極為重要。近年來(lái)，具有移動(dòng)離子的水凝膠為大變形/接觸傳感提供了新方法，但體電阻式傳感機(jī)理（歐姆定律）將其靈敏度限制在1，當(dāng)前柔性傳感器仍無(wú)法兼顧高靈敏度和大量程。

為了解決這一矛盾，最近，西安交通大學(xué)賈坤副教授課題組與北京工業(yè)大學(xué)楊慶生教授課題組和北京理工大學(xué)陶然副教授課題組聯(lián)合開發(fā)了一種基于高密度裂紋的水凝膠（HCHG）多功能傳感器。未變形狀態(tài)下傳感器的裂紋部分閉合，在交變電場(chǎng)作用下，陰離子和陽(yáng)離子可以穿過(guò)封閉的裂紋。當(dāng)水凝膠變形時(shí)，裂紋會(huì)在適當(dāng)變形時(shí)逐漸打開/閉合，使得離子電流流過(guò)的橫截面積發(fā)生連續(xù)變化，導(dǎo)致電阻急劇改變（圖1）。一旦裂縫完全打開，電阻會(huì)按照拉伸無(wú)裂縫水凝膠的相同規(guī)律繼續(xù)增加。該柔性傳感器的20%拉伸應(yīng)變下靈敏度高達(dá)80、觸覺力靈敏度高達(dá)0.45kPa^-1、檢測(cè)范圍可達(dá)215%，同時(shí)還具有多種傳感構(gòu)型，能夠滿足不同的應(yīng)用需求。該柔性傳感器可被廣泛應(yīng)用于柔性物體表面變形的測(cè)量。

圖1 工作原理

根據(jù)裂紋單胞的不同幾何參數(shù)與排布方式，傳感器可設(shè)計(jì)成多種構(gòu)型。通過(guò)對(duì)比，他們選擇了具有最優(yōu)傳感性能和可加工性的周期性裂紋圖案。首先，他們以含氯化鋰的P（AAm-co-AAc）/Zr⁴⁺水凝膠為傳感器基體，改性聚氨酯（TPU）材料為測(cè)試基底，對(duì)傳感的基本原理與特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加單軸伸長(zhǎng)時(shí)，各種布局的相對(duì)電阻具有相似的響應(yīng)，尤其是在應(yīng)變小于 20% 時(shí)。由于電阻響應(yīng)對(duì)元件布局不敏感，因此HCHG 傳感器的形狀可適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。傳感器具有較長(zhǎng)的使用壽命，經(jīng)過(guò) 10000 次最大應(yīng)變?yōu)?0%的加載-卸載試驗(yàn)后，裂紋不會(huì)擴(kuò)展。

圖2 傳感器基本性能

接下來(lái)，他們?yōu)榱藚^(qū)分軟機(jī)器復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的平面內(nèi)和平面外變形，提出了一種夾層結(jié)構(gòu)（圖3）。通過(guò)對(duì)兩個(gè)傳感器電阻響應(yīng)進(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉伸，壓縮，彎曲狀態(tài)的識(shí)別。人類是最脆弱的"軟機(jī)器"。人體皮膚在精細(xì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生微小變形，而在運(yùn)動(dòng)時(shí)則會(huì)隨著關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)發(fā)生較大變形。因此他們基于傳感器的可拉伸性、高靈敏度和大檢測(cè)范圍，將身體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用于機(jī)械臂的操縱。機(jī)械臂的四個(gè)關(guān)節(jié)映射為上肢的關(guān)節(jié)，當(dāng)安裝在拇指、食指、手腕和肘關(guān)節(jié)上的四個(gè)傳感器的電阻變化時(shí)會(huì)向相應(yīng)的伺服電機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂（圖4）。

圖3 多重傳感信號(hào)識(shí)別

圖4 人體運(yùn)動(dòng)控制機(jī)械臂。

為了展示該傳感器在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，他們將該傳感器安裝于軟體機(jī)器手，在抓取物體的過(guò)程中賦予軟機(jī)械手感知能力，實(shí)現(xiàn)了在海綿、豆腐和迪克西杯等軟物體的抓取過(guò)程中保護(hù)軟物體不發(fā)生損壞。（圖5）。

圖5 軟物體抓取

賈坤副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合楊慶生教授團(tuán)隊(duì)和陶然副教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型基于高密度裂紋的高靈敏、大檢測(cè)范圍柔性可拉伸傳感器，深入系統(tǒng)地研究了其工作原理和基本特性，并展示了其廣泛的應(yīng)用前景。該研究為柔性傳感器的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，也為下一代可穿戴設(shè)備和軟體機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究工作以Multifunctional Hydrogel Sensor with Curved Macro Cracks: A Strategy for High Sensitivity and Wide Detection Range為題發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊上。鍋雨寒（北京工業(yè)大學(xué)研究生）、郭浩宇（西安交通大學(xué)博士）、韓裕偉（西安交通大學(xué)研究生）為本文的共同第一作者。西安交通大學(xué)賈坤副教授，北京工業(yè)大學(xué)楊慶生教授和北京理工大學(xué)陶然副教授為論文共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306820

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（責(zé)任編輯：xu）

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