具有仿生梯度縫隙的4D打印應變自感應和溫度自感應集成傳感致動器

供稿人：閆萬權、田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

集成多功能材料具有重量輕、性能穩(wěn)定等特點，且在制造過程中通常更省時、更具成本效益。然而，通過傳統(tǒng)制造工藝將集成多功能材料用來制造具有復雜內(nèi)部結構或仿生多功能結構仍存在很大的難度。3D打印技術的出現(xiàn)，為集成多功能材料的生產(chǎn)制造提供了新的思路。特別是其中4D打印技術將可以將刺激響應材料與3D打印工藝相結合，提供了一種一體化成型可編程智能材料結構的方式。其中，華中科技大學的科研團隊通過FDM打印工藝使用兼具形狀記憶與壓阻性能的炭黑(CB)-聚乳酸(PLA)復合多功能材料打印仿生縫隙結構，得到具有雙功能傳感和自傳感驅動集成傳感-致動器（PISA）的方法。

研究人員從蝎子腿部的縫隙結構獲得靈感，如圖1(a)所示，蝎子腿部的縫隙可以感知微小的機械刺激，以檢測獵物。研究人員通過4D打印技術打印PISA樣件，且通過設置打印參數(shù)，打印出從底部到頂部的梯度仿生間隙結構，如圖1(b)所示。

圖1 靈感來源與樣件結構：(a)蝎子腿的縫隙結構 (b)PISA樣件的仿生縫隙結構

對PISA樣件進行機械刺激產(chǎn)生彎曲變形，在上下兩個不同方向彎曲時，可以使線間間隙減小而接觸或增大而分離，PISA樣件的電阻則會由于電子隧穿效應而相應的減小或增大，如圖2(a)所示。除應變傳感功能之外，PISA樣件同時擁有溫度傳感功能。當樣件被加熱時，PLA基體材料的膨脹使得炭黑顆粒間距增大，宏觀電阻增大，冷卻后可恢復。且當溫度達到一個閾值后，部分縫隙由于膨脹后接觸，樣件組織將再度下降，如圖2(b)所示。

(a)

(b)

圖2 傳感功能：(a)機械應變傳感 (b)溫度傳感

研究人員還打印出手指結構，用于驗證PISA的主動觸摸功能，如圖3所示。最初手指結構被加熱彎曲并冷卻固定形狀，經(jīng)熱風槍的加熱，手指逐漸伸直的同時阻值增大，觸摸到手機屏幕后，由于先增加后減小，使得手指結構的阻值發(fā)生跳躍。PISA能夠主動觸摸物體并獲得電阻信號反饋，從而形成主動感知能力，促進了未來傳感器-執(zhí)行器的融合。

圖3 主動觸摸手指結構及其主動感知功能

參考文獻：
DB. Chen, QP. Liu, ZW Han, et al. 4D Printing Strain Self-Sensing and Temperature Self-Sensing Integrated Sensor–Actuator with Bioinspired Gradient Gaps[J]. Adv. Sci. 2020, 7: 2000584