国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  柔性觸覺傳感器廣泛應用于仿人機器人、可穿戴醫(yī)療和智能人機界面等新興技術(shù)領(lǐng)域，對器件的穩(wěn)定性與感知性能提出了更高要求，尤其是在復雜機械條件（如高剪切、高壓力）下，這類多層結(jié)構(gòu)的傳感器容易發(fā)生界面分層或失效，嚴重限制了其實際應用。器件層間界面粘接可以解決器件力學穩(wěn)定性問題，然而，現(xiàn)有界面粘接方法往往以犧牲傳感性能為代價。同時實現(xiàn)多層傳感器的高韌界面粘接并保持優(yōu)異傳感性能，仍面臨顯著挑戰(zhàn)，南方科技大學郭傳飛教授團隊創(chuàng)新性地采用超支化聚氨酯（HPU）構(gòu)建微柱粘接界面，通過將微柱直徑控制在材料的缺陷敏感尺度以下，有效抑制結(jié)構(gòu)缺陷，實現(xiàn)了高達5095 J m^-2的界面韌性。同時，該團隊將HPU微柱粘接界面結(jié)構(gòu)用作傳感器的間隔層（spacer），微柱在加載過程中可彈性屈曲，提高響應速度，同時降低器件整體剛度，顯著增強了傳感器的靈敏度與最低檢測限，最終實現(xiàn)柔性多層傳感器在極端工況下的界面穩(wěn)定性與傳感性能協(xié)同提升，為下一代柔性電子器件提供了新的設(shè)計策略。

  研究團隊首先通過材料設(shè)計，合成了具有優(yōu)異力學性能的HPU彈性體。這種材料因其分子結(jié)構(gòu)中特有的氫鍵作用，表現(xiàn)出高強度（約44 MPa）和高延伸性（約1000%）。研究發(fā)現(xiàn)，HPU的缺陷敏感尺度約為77 μm，當微結(jié)構(gòu)尺寸小于這一閾值時，材料表現(xiàn)出明顯的尺寸效應——即隨著微柱直徑的減小，其韌性顯著提升。研究人員采用3D打印與模板復制技術(shù)制備了一系列直徑從50 μm至800 μm、高度200 μm的HPU微柱陣列，并通過溶劑溶脹粘接構(gòu)建了不同直徑的HPU微柱粘接界面。

圖1. 基于高韌性HPU的微柱界面構(gòu)建與尺寸效應解析

  界面剝離和拉伸測試發(fā)現(xiàn)，當微柱直徑小于材料的缺陷敏感尺度時，微柱內(nèi)部幾乎不含能夠誘導裂紋擴展的臨界缺陷，因此能承受更大的拉伸變形，有效提升界面韌性。具體而言，當微柱直徑為50 μm時，界面韌性達到了5095 J m^-2，比傳統(tǒng)粘接的界面增韌提升了一個數(shù)量級以上。

圖2. 微柱結(jié)構(gòu)界面的粘接性能

  此外，這些微柱結(jié)構(gòu)不僅提升了界面穩(wěn)定性，還被集成至柔性離電傳感器中，作為關(guān)鍵spacer使用。在器件構(gòu)型上，微柱垂直排列于上下電極之間，并分布在傳感區(qū)域的四周，與離子凝膠層共同構(gòu)成傳感單元，確保不同功能層之間的機械連接與結(jié)構(gòu)完整性。

圖3. 微柱spacer離電傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與界面性能

  這些微柱結(jié)構(gòu)不僅提升了界面穩(wěn)定性，還作為傳感器的spacer發(fā)揮了關(guān)鍵作用。由于微柱在受壓時能夠彈性屈曲，有效緩解了壓縮引起的材料硬化現(xiàn)象，使得傳感器能夠在大范圍壓力內(nèi)保持較高的靈敏度（0–450 kPa內(nèi)為73 kPa^-1，450–2500 kPa內(nèi)為52.8 kPa^-1），避免了傳統(tǒng)spacer容易出現(xiàn)的信號飽和問題。同時，微柱結(jié)構(gòu)在加載與卸載過程中表現(xiàn)出類似彈簧的響應行為，有限元分析結(jié)果表明，微柱結(jié)構(gòu)能夠有效儲存和釋放應變能，顯著降低了加載-卸載過程中的界面能量損耗，從而大幅提升了器件的響應與恢復速度，使其能夠響應高達7000 Hz的動態(tài)機械刺激。

圖4. 傳感器的傳感性能

  強韌的微柱界面在反復摩擦下仍能保持穩(wěn)定連接。器件在施加750 kPa壓力和165 kPa剪切應力的條件下，經(jīng)2萬次循環(huán)摩擦后，輸出信號依然穩(wěn)定無明顯漂移，器件內(nèi)部各功能層保持完好未出現(xiàn)剝離或錯位，體現(xiàn)出極高的界面疲勞抗性和長期可靠性。

  在實際應用方面，研究團隊進一步將該傳感器陣列集成到機器人夾爪上，并成功實現(xiàn)了對重達2.0 kg的啞鈴的穩(wěn)定抓取。在抓取過程中，傳感器準確識別了不同重量下的抓力變化，并在長達1000次的上下快速移動過程中保持了出色的穩(wěn)定性，遠遠超過傳統(tǒng)PDMS封裝傳感器的性能，體現(xiàn)了顯著的應用優(yōu)勢。

圖5. 傳感陣列在機器手抓取重物中的應用

  本研究揭示了基于超支化聚氨酯微柱的尺寸效應增韌機制，并成功將其應用于柔性傳感器中，實現(xiàn)了界面粘接強度與傳感性能的協(xié)同提升。得益于其優(yōu)異的機械穩(wěn)定性與快速、高靈敏的響應能力，該器件在機器人抓取重物等極端工況下表現(xiàn)出出色的可靠性與實用性。該結(jié)構(gòu)設(shè)計策略為柔性電子器件中兼顧力學穩(wěn)固性與功能響應性的器件構(gòu)建提供了新思路，有望在智能機器人、醫(yī)療健康、人機交互等領(lǐng)域發(fā)揮一定的作用。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102221