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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、大檢測范圍柔性可拉伸水凝膠傳感器
2023-09-04  來源：高分子科技

  由于柔軟和輕巧的特點，軟機器對人類具有固有的安全和友好性，能夠交互的智能軟機器有望融入人類社會。軟機器的智能化依賴于對環(huán)境及其自身狀態(tài)的感知，結(jié)構(gòu)簡單但功能多樣的柔性傳感器極為重要。近年來，具有移動離子的水凝膠為大變形/接觸傳感提供了新方法，但體電阻式傳感機理（歐姆定律）將其靈敏度限制在1，當(dāng)前柔性傳感器仍無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，在交變電場作用下，陰離子和陽離子可以穿過封閉的裂紋。當(dāng)水凝膠變形時，裂紋會在適當(dāng)變形時逐漸打開/閉合，使得離子電流流過的橫截面積發(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，電阻會按照拉伸無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80、觸覺力靈敏度高達0.45kPa-1、檢測范圍可達215%，同時還具有多種傳感構(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)計成多種構(gòu)型。通過對比，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）材料為測試基底，對傳感的基本原理與特性進行了系統(tǒng)的研究（圖2）。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加單軸伸長時，各種布局的相對電阻具有相似的響應(yīng)，尤其是在應(yīng)變小于 20% 時。由于電阻響應(yīng)對元件布局不敏感，因此HCHG 傳感器的形狀可適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。傳感器具有較長的使用壽命，經(jīng)過 10000 次最大應(yīng)變?yōu)?0%的加載-卸載試驗后，裂紋不會擴展。 


圖2 傳感器基本性能


  接下來，他們?yōu)榱藚^(qū)分軟機器復(fù)雜運動中的平面內(nèi)和平面外變形，提出了一種夾層結(jié)構(gòu)（圖3）。通過對兩個傳感器電阻響應(yīng)進行解耦，實現(xiàn)對拉伸，壓縮，彎曲狀態(tài)的識別。人類是最脆弱的"軟機器"。人體皮膚在精細運動時會發(fā)生微小變形，而在運動時則會隨著關(guān)節(jié)運動發(fā)生較大變形。因此他們基于傳感器的可拉伸性、高靈敏度和大檢測范圍，將身體運動檢測應(yīng)用于機械臂的操縱。機械臂的四個關(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)上的四個傳感器的電阻變化時會向相應(yīng)的伺服電機發(fā)出驅(qū)動信號，從而驅(qū)動機械臂（圖4）。 


圖3 多重傳感信號識別 


圖4 人體運動控制機械臂。


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


圖5 軟物體抓取


  賈坤副教授團隊聯(lián)合楊慶生教授團隊和陶然副教授團隊報道了一種新型基于高密度裂紋的高靈敏、大檢測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)計提供了指導(dǎo)，也為下一代可穿戴設(shè)備和軟體機器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。


  這項研究工作以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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